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Neue Radioaktivitätsmessung könnte die Präzision von Experimenten mit dunkler Materie verbessern

by drbyos
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Eine Konzentration von einem Teil pro Milliarde ist wie eine Prise Salz in 10 Tonnen Kartoffelchips – und Wissenschaftler können jetzt radioaktive Partikel in millionenfach geringeren Konzentrationen finden. In dem Zeitschrift für analytische Atomspektrometrie, beschreiben Forscher den erfolgreichen Nachweis von radioaktivem Uran und Thorium, die sich zwischen etwa einer Million Milliarden anderen Atomen verstecken.

Die Fähigkeit, diese winzigen Mengen radioaktiver Elemente zu erkennen, die natürlicherweise in Metallen wie Gold vorkommen, die häufig in Laborinstrumenten verwendet werden, könnte große Konsequenzen für die Teilchenphysik haben. Radioaktive Spuren begrenzen die Empfindlichkeit von Detektoren, die nach exotischen Teilchen suchen, einschließlich solcher, die dunkle Materie bilden könnten; Eine winzige radioaktive Verunreinigung im Inneren eines Detektors kann mit der Signatur eines Teilchens verwechselt werden und das gesamte Experiment zunichte machen.

„Bevor wir etwas anderes tun, brauchen wir möglichst saubere Materialien“, sagt Michelle Dolinski, Teilchenphysikerin an der Drexel University und dem Enriched Xenon Observatory, die nicht an der Studie beteiligt war. Ihre Arbeit zur Suche nach seltenen Teilchen ist eng mit der von Chemikern verbunden, die Radioaktivität aufspüren.

„Physik muss die Chemie wirklich vorantreiben“, sagt der Chemiker und Co-Autor der Studie, Eric Hoppe, vom Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). Mit einem Massenspektrometer, das Partikel nach ihrer Masse trennt, wiesen er und die anderen Forscher in metallischen Proben geringe Konzentrationen von radioaktivem Thorium und Uran nach.

Zunächst mussten die Wissenschaftler radioaktive Elemente massereicher machen als die anderen Atome eines Metalls, erklärt Erstautor Khadouja Harouaka, ebenfalls Chemiker am PNNL. Dazu erhitzten sie eine metallische Probe, bis sie sehr reaktiv wurde, und drückten sie in eine Kammer voller Sauerstoff. Jegliches Thorium oder Uran in der Probe kombinierte sich dann mit dem Sauerstoff, um Moleküle zu bilden, die massiv genug waren, um in den Spektrometerdaten hervorzustechen. Als nächstes zählten die Wissenschaftler diese oxidierten radioaktiven Partikel und berechneten ihre ursprüngliche Konzentration – ein Wert, der angibt, wie viel Strahlung das Material in physikalische Experimente einbringen würde.

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Während viele bisher entwickelte Partikeldetektionsverfahren für jedes spezifische Metall modifiziert werden müssen, verwendet das neue Verfahren immer die gleichen Erwärmungs- und Oxidationsschritte. „Die ganze Materialpalette öffnet sich“, sagt Hoppe.

Materialoptionen sind entscheidend für das Design von Teilchendetektoren, sagt Priscilla Cushman, Physikerin an der University of Minnesota und am Super Cryogenic Dark Matter Search Experiment, die nicht an der Studie beteiligt war. „Es gibt so viele kleine Stücke von [a dark matter] Experimente, die unterschiedliche Funktionen haben“, sagt sie. „Die Materialien, die für elektrische oder thermische Verbindungen oder sogar Isolierungen verwendet werden, müssen alle funkrein sein.“ Als Detektorkomponenten kommt jedes neu untersuchte Metall in Frage. Auch Hoppe blickt nach vorn: „Wir versuchen ständig, alle Verdächtigen niederzuschlagen [radioactive] Materialien. Diese Arbeit ist ein schöner Schritt nach vorne.“

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