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十亿分之一的浓度相当于在10吨薯片中的一小撮盐，如今科学家可以在比这个浓度还要低数百万倍的环境中检测放射性粒子。在发表于《分析原子光谱学杂志》（Journal of Analytical Atomic Spectrometry）的一项研究中，研究人员成功检测到混杂在1万亿个其他原子中的放射性铀原子和钍原子。
这项成果对粒子物理学具有重要意义。因为实验室设备中往往含有金等金属物质，在自然条件下，这些金属中会出现微量的放射性元素。尽管含量很低，但这些放射性粒子会限制粒子检测器的灵敏度，而被检测的异常粒子中就包括了可能会组成暗物质的粒子。探测器中的微量放射性杂质可能会被误认为是异常粒子的信号，从而让整个实验前功尽弃。
“在开展任何研究工作之前，我们需要保证所使用的材料中含有的杂质尽可能少。”米歇尔·多林斯基（Michelle Dolinski，并未参与这项研究）表示。多林斯基是美国德雷克塞尔大学和富氙观测站（Enriched Xenon Observatory）的一名粒子物理学家。她主要从事罕见粒子的搜寻工作。
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“物理学的需求的确推动了化学的发展。”西北太平洋国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）的化学家埃里克·霍庇（Eric Hoppe，这项研究的共同作者）表示。他和其他研究员通过质谱技术（一种利用粒子质量差异区分不同粒子的技术）从金属样品中检测出了低浓度的放射性钍原子和铀原子。
西北太平洋国家实验室的化学家卡哈多佳·哈鲁卡（Khadouja Harouaka，这项研究的第一作者）解释了研究路线。首先，科学家需要让放射性原子比其他金属原子更重。为了实现这一点，他们将金属样品加热，使其化学性质变得非常活泼，然后再将样品放入氧气腔中。如果样品中存在钍元素或铀元素，其中的放射性粒子将和氧气结合，形成在质谱仪上可以辨认的大分子。接下来，科学家对这些被氧化的放射性粒子进行计数，并计算出放射性粒子的初始浓度。这些数据可以表明金属材料可能会引入多大剂量的辐射值。
此前，大多数粒子检测技术都需要针对不同的金属材料相应地修改检测方法，而这项新技术可以对不同材料采取同样的处理步骤。霍庇说：“就像是打开了一个调色盘一样，各种材料都可以用这种方法进行检测。”
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物理学家普里西拉·库什曼（Priscilla Cushman，并未参与这项研究）在明尼苏达大学和超低温暗物质搜寻（Super Cryogenic Dark Matter Search）实验组工作。库什曼表示，材料的选择对粒子探测器的设计至关重要。她介绍说：“暗物质实验由许多功能不同的小组件组成，导热导电材料，甚至是绝热绝缘材料都必须是完全不含辐射的。”每种通过检测的金属都可以被考虑用作探测器的组件。当谈到未来的研究计划时，霍庇表示：“我们将继续检查所有可能具有放射性的材料。这次的研究已经向前迈出了漂亮的一步。”
撰文：卡尔梅拉·帕达维奇·卡拉汉（Karmela Padavic-Callaghan）
翻译：董子晨曦
引进来源：环球科学
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