放射性衰变无处不在。它发生在地球的每个角落和整个宇宙中。最常见的形式发生在不稳定的原子核喷射出α粒子（由两个中子和两个质子组成）、β粒子（由高能正电子或电子组成）或γ射线（由高能光子组成）时。
当这些强大的辐射形式穿过物质时，它们会剥离原子和分子中的电子，在其身后留下带电粒子的轨迹。探测这些带电粒子，只需在所谓的盖革计数器中使用电场将它们“吸走”即可。
这能让物理学家很好地了解当地的辐射水平。但他们也有其他技术可以更详细地表征衰变。例如，他们可以通过研究衰变粒子穿过材料时产生的光，或其产生的热量，来测量衰变粒子在材料中沉积的能量。
辐射探测器
但是，有些形式的辐射仍然难以表征。例如，中微子通常在核衰变中产生，但与物质的相互作用不显著。因此，它们携带的能量不容易被测量。
由于物理学家对这种辐射的行为“视而不见”，他们非常渴望一种实用的表征方法。
耶鲁大学的Jiaxiang Wang及其同事开发了一种全新的方法，通过分析衰变后留下的子原子核的行为来测量核衰变的能量。
该团队的想法是，衰变粒子的释放会在子原子核中产生一个大小相等、方向相反的反作用力。换句话说，子原子核会发生反冲。然而，这种力很微小，反冲很难观察到，尤其是在热噪声会淹没这种运动的情况下。
近年来，物理学家开发了激光技术，可以在真空中悬浮单个粒子，并将其冷却到热噪声可忽略不计的程度。现在，Wang等人利用这项技术观察到，当这些粒子内部的原子核衰变时，它们会发生反冲。
该团队首先使用直径约3微米、小于人类头发丝宽度的小二氧化硅球。然后，他们通过让氡-220气体在附近衰变，将放射性原子核植入这些球体的表面。这会产生钋-216离子，它们会聚集在带电的二氧化硅球体表面。
钋-216的半衰期约为十分之一秒，因此它会通过α衰变迅速衰变成铅-212。这个过程会将铅原子核嵌入球体表面约60纳米深处。
然后，该团队将这些球体悬浮在光学陷阱中，然后观察和等待。铅-212本身也不稳定，半衰期约为10小时，通过β衰变（电子发射）变成铋-212，铋-212也通过β衰变（电子发射）变成钋-212。
由于电子和中微子的质量非常小，β衰变的反冲尚不可观察。因此，该团队感兴趣的是钋-212通过α衰变变成稳定的铅-208同位素的衰变。
果然，每一个钋-212原子核的衰变都会产生几纳米的反冲，这是他们可以观察到的。通过测量球体的动量变化，他们可以表征导致它的衰变。“这证明了通过光学陷阱中微米级球体的电荷变化和同步反冲，可以探测到单个核衰变，”他们说。
（衰变还会改变球体的电荷，团队也可以观察到这一点。当电荷变得过大时，团队会通过热灯丝或紫外线灯添加或移除电子来中和它。）
半衰期
当然，这只是一个α衰变，物理学家已经可以探测到。Wang等人表示，他们方法的真正价值在于它也可以用于探测产生高能中微子的衰变。“将相同的技术扩展到飞克质量的球体，将能够重建离开球体的单个中微子的动量，”他们说。
这需要一些开发，但团队有信心可以轻松做出改进。“悬浮光力学领域的持续快速进展有望将这些技术的未来灵敏度提高几个数量级，”他们说。
如果发生这种情况，该技术可能会有多种应用。据Wang等人称，它可能在核法证学领域找到应用，该领域旨在确定核材料的同位素组成。
但真正的“奖赏”可能是接触到新的科学。该团队建议，该技术可能能够探测到核衰变中发射的更不寻常的粒子，包括惰性中微子，甚至可能与暗物质相关的粒子。
这很有趣，因为目前探测中微子和暗物质的实验非常巨大，有些甚至有城市街区那么大。
鉴于没有人探测到暗物质或它对可见物质可能产生的影响，这是一个令人垂涎的提议。
参考文献：Mechanical detection of nuclear decays : arxiv.org/abs/2402.13257
