Ein Forschungsteam des Instituts für moderne Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Universität für Wissenschaft und Technik Chinas hat erfolgreich das extrem seltene radioaktive Isotop Argon-42 in der Atmosphäre direkt nachgewiesen. Die Isotopenhäufigkeit von Argon-42 in der Atmosphäre liegt in der Größenordnung von etwa 10⁻²¹. Dieser Erfolg hat die Nachweisempfindlichkeit um 4-5 Größenordnungen verbessert und eine neue Methode für die Messung von Isotopen mit extrem geringer Häufigkeit bereitgestellt. Die entsprechende Studie wurde am 14. April in der Zeitschrift *Nature Physics* veröffentlicht.
Argon-42 entsteht durch die Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit der Atmosphäre und hat eine Halbwertszeit von 33 Jahren. Seine Zerfallsprodukte könnten die Nachweisgenauigkeit von Experimenten zur Dunklen Materie und zum doppelten Betazerfall beeinträchtigen. Herkömmliche Messmethoden wie die Zerfallszählung in Flüssigargondetektoren und die Beschleuniger-Massenspektrometrie haben Einschränkungen und können das in der Atmosphäre extrem seltene Argon-42 nicht direkt messen.
Das Team der Universität für Wissenschaft und Technik Chinas nutzte die Technik der Atomfallen-Spurenanalyse, um einen Einzelatom-Nachweis von Argon-42 zu ermöglichen. Diese Technik verwendet resonante Laserkühlung und den Einfang der Zielatome, die durch Fluoreszenzbildgebung gezählt werden, und zeichnet sich durch hohe Selektivität und Empfindlichkeit aus. Das vom Institut für moderne Physik entwickelte hochstromfähige elektromagnetische Massenspektrometer reicherte Argon-42 vor, wodurch seine Häufigkeit um mehr als das 700-fache erhöht und die Nachweiseffizienz verbessert wurde. Innerhalb von 43 Tagen beobachtete das Team 204 Argon-42-Atome und bestimmte die Isotopenhäufigkeit von Argon-42 in der Atmosphäre zu (6,1 ± 0,5) × 10⁻²¹.
Die Technik der Atomfallen-Spurenanalyse wird bereits in Bereichen wie der Datierung von Gletschereis und der Altersbestimmung von Grundwasser eingesetzt. Die hochpräzise elektromagnetische Separationstechnologie des Instituts für moderne Physik hat Anwendungspotenzial in der Erforschung stabiler Isotope. Diese Zusammenarbeit erweitert den Anwendungsbereich dieser Technik und könnte in Zukunft für die Messung weiterer extrem seltener Isotope genutzt werden, was die Grundlagenphysik und die Umweltforschung unterstützt.
Die Erstautoren der Arbeit sind Dr. Wan Zhaofeng und Liang Jiawei von der Universität für Wissenschaft und Technik Chinas, der Ingenieur Jia Zehua vom Institut für moderne Physik ist der dritte Autor. Die Studie wurde durch das Nationale wichtige Wissenschafts- und Technologie-Sonderprojekt, die Nationale Naturwissenschaftliche Stiftung Chinas und andere Einrichtungen gefördert.