[論文レビュー] Imaging individual barium atoms in solid xenon for barium tagging in nEXO

C. Chambers, T. Walton+149 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2018

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、レーザー走査蛍光顕微鏡を用いて固体キセノン中の個々のバリウム原子の直接像取りと数え上げを初めて実現した。619 nmの蛍光ピークを明確に検出するとともに、離散的な蛍光消滅を観察することで、中性バリウム原子が単一バケーション置換サイトに捕獲されていることが確認された。これにより、nEXOニュートリノ無二重ベータ崩壊実験における高信頼性バリウムタグが可能となる。

ABSTRACT

The search for neutrinoless double beta decay probes the fundamental properties of neutrinos, including whether or not the neutrino and antineutrino are distinct. Double beta detectors are large and expensive, so background reduction is essential for extracting the highest sensitivity. The identification, or 'tagging', of the $^{136}$Ba daughter atom from double beta decay of $^{136}$Xe provides a technique for eliminating backgrounds in the nEXO neutrinoless double beta decay experiment. The tagging scheme studied in this work utilizes a cryogenic probe to trap the barium atom in solid xenon, where the barium atom is tagged via fluorescence imaging in the solid xenon matrix. Here we demonstrate imaging and counting of individual atoms of barium in solid xenon by scanning a focused laser across a solid xenon matrix deposited on a sapphire window. When the laser sits on an individual atom, the fluorescence persists for $\sim$30~s before dropping abruptly to the background level, a clear confirmation of one-atom imaging. No barium fluorescence persists following evaporation of a barium deposit to a limit of $\leq$0.16\%. This is the first time that single atoms have been imaged in solid noble element. It establishes the basic principle of a barium tagging technique for nEXO.

研究の動機と目的

• nEXOニュートリノ無二重ベータ崩壊実験におけるバリウムタグのための鍵となる、固体キセノン中の個々のバリウム原子を検出・像取りする手法の開発。
• 原子信号を模倣する可能性のある分子的またはクラスター状の種を、孤立したバリウム原子と区別すること。
• 特に、格子欠陥（例：単一バケーションサイト）が果たす役割を含め、固体キセノン中のバリウム原子の化学的・構造的環境を特定すること。
• nEXOに実験的条件下（低バックグラウンド、信号の最小限の消失）で関連する安定性と検出可能性を検証すること。
• スペクトル的および寿命解析を通じて、観察された蛍光の代替解釈（例：BaO や BaOH 分子）を除外すること。

提案手法

• バリウムイオンまたは中性バリウム原子をドーピングした固体キセノン基板に焦点を合わせたレーザー光ビームを走査し、蛍光発光を励起した。
• 時間分解光子カウントを用いて蛍光寿命を測定した。619 nmピークの蛍光寿命として7 nsが観測され、既知のBaOの寿命と一致しないことが判明した。
• 蛍光発光のスペクトル解析により、619 nmおよび670 nmの2つの主要ピークが特定された。信号強度とドーピングされたイオン数の間には線形関係が認められ、分子形成の可能性が排除された。
• 固体キセノン基板の事前ブリーチングによりバックグラウンド蛍光を低減し、低ノイズ条件下での単一原子検出を可能にした。
• イオン結合エネルギーおよび平衡半径（例：Ba+ は3.619 Å、中性Ba原子は5.5 Å）の理論的モデリングを用いて、キセノン格子内での好ましい格子サイトを予測した。その結果、キセノン中での単一バケーションサイトが好ましいとされた。
• 残留ガス不純物（H2O、O2）が反応生成物（BaOH、BaO）を生成する可能性を分析し、熱力学的およびスペクトル的制約を用いてそれらが619 nm発光の原因である可能性を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー蛍光顕微鏡を用いて、固体キセノン中の個々のバリウム原子を像取りおよび数えることは可能か？
• RQ2 バリウム原子の支配的化学的・構造的環境は何か—特に、単一バケーションサイトに孤立した原子として存在しているのか、それとも分子クラスターの一部であるのか？
• RQ3 観察された619 nm蛍光発光は、格子欠陥に存在する中性バリウム原子に起因するものか、それとも酸化バリウム（BaO）や水酸化バリウム（BaOH）分子に起因するものか？
• RQ4 619 nm発光の蛍光寿命は何か？これは、真空中または固体格子中におけるバリウム種の既知の値と一致するか？
• RQ5 長時間のレーザー照射下でのバリウム信号の安定性はどの程度か？また、蒸発またはクエンチングによる信号消失の最大速度は何か？

主な発見

• スペクトル的・寿命的・空間局在的証拠に基づき、619 nmの蛍光ピークは、固体キセノン中の単一バケーション置換サイトに存在する中性バリウム原子に起因すると特定された。
• 619 nm発光の蛍光寿命として7 nsが測定された。これは、BaOのA¹Σ⁺状態の356 nsの寿命と一致しないため、BaOが発光源である可能性は排除された。
• 隣接するスペクトル線の欠如および信号強度とドーピングイオン数との線形依存関係から、Ba₂分子の生成は否定された。
• 長時間のレーザー照射に伴い、信号が離散的かつ急激に消滅する現象が観察され、バックグラウンドレベルまで低下するため、信号の起源が単一原子であることが確認された。
• 固体キセノン基板の事前ブリーチングにより、バックグラウンド蛍光が低減され、単一原子検出が可能になった。
• バリウムドーピングの蒸発に起因する最大信号消失率は≤0.16%と測定され、バリウムタグ応用における高い信号安定性が示された。