[논문 리뷰] Barium Tagging with Selective, Dry-Functional, Single Molecule Sensitive On-Off Fluorophores for the NEXT Experiment

N. K. Byrnes, A. A. Denisenko외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 10.

Neutrino Physics Research참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 136Xe에서 무중성자 이중베타붕괴를 탐지하기 위해 NEXT 실험을 위한 새로운 바륨 태깅 기술을 제시한다. 건조 기능성, 케이스 전환식 가능성이 있는 형광체를 사용하여 Ba²⁺ 이온의 단일 분자 형광 영상 촬영이 가능하다. 이 방법은 맞춤형 Ba²⁺ 선택성 형광체, RF 카펫 이온 이동 장치, 고압에 견디는 전반내반사 형광 현미경을 조합하여, 최대 10 bar의 크세논 기체에서 단일 이온 감도를 달성한다.

ABSTRACT

In the search for neutrinoless double beta decay, understanding and reducing backgrounds is crucial for success. An advance that could drive backgrounds to negligible levels would be the ability to efficiently detect the barium daughter in $^{136}$Xe to $^{136}$Ba double beta decay, since no conventional radioactive process can produce barium ions or atoms in xenon at significant rates. In xenon gas, the barium daughter most likely survives as a dication. An approach under development by the NEXT collaboration involves transporting this ion from the active medium onto a coated transparent plane supporting a barium-sensitive fluorescent dye, monitored via fluorescence microscopy. Upon exposure to a barium dication, the dye will begin fluorescing, which, when correlated with the detection of a double electron signal at the anode, would confirm double beta decay.Our results have shown that a single barium ion can be resolved via Single Molecule Fluorescent Imaging (SMFI). The next challenge is a realization of this technique within in a large volume of xenon gas. Significant advances have recently been made: custom barium-tagging molecules that fluoresce strongly in the dry state when exposed to barium have been demonstrated, and devices constructed that can observe fluorescence via in-vacuum or in-gas Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy. We present the status of this technique and the outlook for barium tagging with On-Off switchable fluorophores, including new results with a Ba$^{2+}$-selective dye that functions under our desired conditions in the visible region and with single ion sensitivity.

연구 동기 및 목표

• 136Xe 붕괴에서 바륨 딸기 이온(136Ba)을 탐지하여 무중성자 이중베타붕괴 탐색의 배경을 줄이기 위해.
• Ba²⁺에만 결합할 때만 발광하는 건조 상태에서 작동하는 선택성 있는 형광체를 개발하여 기체상 크세논에서 단일 분자 감도를 실현하기 위해.
• 10 bar 압력에 견디는 수정된 형광 현미경 시스템을 사용하여 고압 크세논 기체에서 단일 이온 탐지를 실현하기 위해.
• 활동 영역에서 탐지 평면으로 Ba²⁺ 이온을 이동시키는 데에 효과적인 RF 카펫 시스템을 설계하고 테스트하기 위해.
• 이중 전자 신호와 바륨 이온 형광 신호를 실시간으로 공진도 탐지할 수 있도록 모든 구성 요소를 통합한 기능성 시스템을 구축하기 위해.

제안 방법

• 18-크로우너-6에 고정된 강성 있는 건조 상태에서 작동하는 형광체(예: 푸렌 또는 안트라센)와 결합한 Ba²⁺ 선택성, 케이스 전환식 가능성이 있는 형광체를 설계하고 합성한다.
• 사파이어 창을 사용한 전반내반사 형광 현미경(TIRF)을 이용하여 고압 크세논 기체(최대 10 bar)에서 단일 분자를 영상 촬영한다.
• 고압 챔버 내에서 중심 탐지 평면으로 향해 Ba²⁺ 이온을 레벨링하고 이동시키기 위해 고주파 전자기장으로 구성된 RF 카펫 시스템을 구현한다.
• 진공의 무결성을 유지하기 위해 전자 증폭형 CCD(EMCCD) 카메라와 외부 레이저 자극 시스템을 압력 용기 외부에 설치한다.
• 고정된 기질 표면에 형광체를 고정하기 위해 PVA 매트릭스를 사용하여 안정적인 건조 상태에서의 단일 분자 영상 촬영을 실현한다.
• 아노드에서 탐지된 이중 전자 이벤트와 형광 신호를 연계하여 0νββ 붕괴를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 건조 상태에서 기능하는 Ba²⁺ 선택성 형광체가 고압 크세논 기체에서 단일 분자 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 고압 조건에서 RF 카펫이 활동 영역에서 탐지 평면으로 Ba²⁺ 이온을 효과적으로 이동시킬 수 있는가?
• RQ3 고압에 견디는 TIRF 현미경이 최대 10 bar에서 단일 형광 분자를 해상도 있게 식별할 수 있는가?
• RQ4 크세논 기체 환경에서 단일 Ba²⁺ 이온의 형광을 배경 노이즈와 구별하여 탐지할 수 있는가?
• RQ5 이온 이동, 형광체 태깅, 형광 영상 촬영의 통합 시스템이 배경 감소에 충분한 효율으로 공진도 탐지를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 18-크로우너-6에 푸렌을 접합한 Ba²⁺ 선택성 형광체(18c6-py)는 케이스 전환 작동을 보이며 건조 상태에서 강한 형광을 나타낸다.
• 고압 현미경의 프로토타입은 외부 광학 장치를 사용한 20x 및 40x 공기 커플링 목적으로 최대 10 bar에서 안정적이고 고해상도의 형광 영상 촬영을 달성했다.
• FLUO-3 형광체 시스템에서 분리된 광분해 사건을 통해 단일 Ba²⁺ 이온이 건조 상태의 PVA 매트릭스에서 확인되었으며, 이는 단일 분자 감도를 증명한다.
• RF 카펫 프로토타입은 고압 크세논 기체에서 Ba²⁺ 이온을 레벨링하고 이동시키는 데 성공하여 탐지 평면으로의 이온 집중 가능성을 입증했다.
• 단일 분자 영상에서 2 nm 이하의 공간 해상도를 확보하여 개별 바륨 이온의 명확한 식별이 가능했다.
• UT 아르링턴의 NEXT-GodXilla 프로그램은 고압 크세논 기체에서 단일 Ba²⁺ 이온 탐지를 실현할 수 있도록 진행 중이며, NEXT-100 탐지기로의 통합 계획이 수립되어 있다.