Demonstration of Single-Barium-Ion Sensitivity for Neutrinoless Double-Beta Decay Using Single-Molecule Fluorescence Imaging.
A D McDonald, B J P Jones, D R Nygren, C Adams, V Álvarez, C D R Azevedo, J M Benlloch-Rodríguez, F I G M Borges, A Botas, S Cárcel, J V Carrión, S Cebrián, C A N Conde, J Díaz, M Diesburg, J Escada, R Esteve, R Felkai, L M P Fernandes, P Ferrario, A L Ferreira, E D C Freitas, A Goldschmidt, J J Gómez-Cadenas, D González-Díaz, R M Gutiérrez, R Guenette, K Hafidi, J Hauptman, C A O Henriques, A I Hernandez, J A Hernando Morata, V Herrero, S Johnston, L Labarga, A Laing, P Lebrun, I Liubarsky, N López-March, M Losada, J Martín-Albo, G Martínez-Lema, A Martínez, F Monrabal, C M B Monteiro, F J Mora, L M Moutinho, J Muñoz Vidal, M Musti, M Nebot-Guinot, P Novella, B Palmeiro, A Para, J Pérez, M Querol, J Repond, J Renner, S Riordan, L Ripoll, J Rodríguez, L Rogers, F P Santos, J M F Dos Santos, A Simón, C Sofka, M Sorel, T Stiegler, J F Toledo, J Torrent, Z Tsamalaidze, J F C A Veloso, R Webb, J T White, N Yahlali, NEXT Collaboration
Author Information
A D McDonald: Department of Physics, University of Texas at Arlington, Arlington, Texas 76019, USA.
B J P Jones: Department of Physics, University of Texas at Arlington, Arlington, Texas 76019, USA.
D R Nygren: Department of Physics, University of Texas at Arlington, Arlington, Texas 76019, USA.
C Adams: Department of Physics, Harvard University, Cambridge, Massachusetts 02138, USA.
V Álvarez: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
C D R Azevedo: Institute of Nanostructures, Nanomodelling and Nanofabrication (i3N), Universidade de Aveiro, Campus de Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal.
J M Benlloch-Rodríguez: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
F I G M Borges: LIP, Department of Physics, University of Coimbra, P-3004 516 Coimbra, Portugal.
A Botas: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
S Cárcel: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
J V Carrión: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
S Cebrián: Laboratorio de Física Nuclear y Astropartículas, Universidad de Zaragoza, Calle Pedro Cerbuna, 12, 50009 Zaragoza, Spain.
C A N Conde: LIP, Department of Physics, University of Coimbra, P-3004 516 Coimbra, Portugal.
J Díaz: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
M Diesburg: Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, Illinois 60510, USA.
J Escada: LIP, Department of Physics, University of Coimbra, P-3004 516 Coimbra, Portugal.
R Esteve: Instituto de Instrumentación para Imagen Molecular (I3M), Centro Mixto CSIC-Universitat Politècnica de València, Camino de Vera s/n, 46022 Valencia, Spain.
R Felkai: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
L M P Fernandes: LIBPhys, Physics Department, University of Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal.
P Ferrario: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
A L Ferreira: Institute of Nanostructures, Nanomodelling and Nanofabrication (i3N), Universidade de Aveiro, Campus de Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal.
E D C Freitas: LIBPhys, Physics Department, University of Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal.
A Goldschmidt: Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), Berkeley, California 94720, USA.
J J Gómez-Cadenas: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
D González-Díaz: Instituto Gallego de Física de Altas Energías, Univ. de Santiago de Compostela, Campus sur, Rúa Xosé María Suárez Núñez, s/n, 15782 Santiago de Compostela, Spain.
R M Gutiérrez: Centro de Investigación en Ciencias Básicas y Aplicadas, Universidad Antonio Nariño, Sede Circunvalar, Carretera 3 Este No. 47 A-15, Bogotá, Colombia.
R Guenette: Department of Physics, Harvard University, Cambridge, Massachusetts 02138, USA.
K Hafidi: Argonne National Laboratory, Argonne Illinois 60439, USA.
J Hauptman: Department of Physics and Astronomy, Iowa State University, Ames, Iowa 50011-3160, USA.
C A O Henriques: LIBPhys, Physics Department, University of Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal.
A I Hernandez: Centro de Investigación en Ciencias Básicas y Aplicadas, Universidad Antonio Nariño, Sede Circunvalar, Carretera 3 Este No. 47 A-15, Bogotá, Colombia.
J A Hernando Morata: Instituto Gallego de Física de Altas Energías, Univ. de Santiago de Compostela, Campus sur, Rúa Xosé María Suárez Núñez, s/n, 15782 Santiago de Compostela, Spain.
V Herrero: Instituto de Instrumentación para Imagen Molecular (I3M), Centro Mixto CSIC-Universitat Politècnica de València, Camino de Vera s/n, 46022 Valencia, Spain.
S Johnston: Argonne National Laboratory, Argonne Illinois 60439, USA.
L Labarga: Departamento de Física Teórica, Universidad Autónoma de Madrid, Campus de Cantoblanco, 28049 Madrid, Spain.
A Laing: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
P Lebrun: Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, Illinois 60510, USA.
I Liubarsky: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
N López-March: Department of Physics, University of Texas at Arlington, Arlington, Texas 76019, USA.
M Losada: Centro de Investigación en Ciencias Básicas y Aplicadas, Universidad Antonio Nariño, Sede Circunvalar, Carretera 3 Este No. 47 A-15, Bogotá, Colombia.
J Martín-Albo: Department of Physics, Harvard University, Cambridge, Massachusetts 02138, USA.
G Martínez-Lema: Instituto Gallego de Física de Altas Energías, Univ. de Santiago de Compostela, Campus sur, Rúa Xosé María Suárez Núñez, s/n, 15782 Santiago de Compostela, Spain.
A Martínez: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
F Monrabal: Department of Physics, University of Texas at Arlington, Arlington, Texas 76019, USA.
C M B Monteiro: LIBPhys, Physics Department, University of Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal.
F J Mora: Instituto de Instrumentación para Imagen Molecular (I3M), Centro Mixto CSIC-Universitat Politècnica de València, Camino de Vera s/n, 46022 Valencia, Spain.
L M Moutinho: Institute of Nanostructures, Nanomodelling and Nanofabrication (i3N), Universidade de Aveiro, Campus de Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal.
J Muñoz Vidal: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
M Musti: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
M Nebot-Guinot: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
P Novella: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
B Palmeiro: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
A Para: Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, Illinois 60510, USA.
J Pérez: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
M Querol: Instituto de Instrumentación para Imagen Molecular (I3M), Centro Mixto CSIC-Universitat Politècnica de València, Camino de Vera s/n, 46022 Valencia, Spain.
J Repond: Argonne National Laboratory, Argonne Illinois 60439, USA.
J Renner: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
S Riordan: Argonne National Laboratory, Argonne Illinois 60439, USA.
L Ripoll: Escola Politècnica Superior, Universitat de Girona, Av. Montilivi, s/n, 17071 Girona, Spain.
J Rodríguez: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
L Rogers: Department of Physics, University of Texas at Arlington, Arlington, Texas 76019, USA.
F P Santos: LIP, Department of Physics, University of Coimbra, P-3004 516 Coimbra, Portugal.
J M F Dos Santos: LIBPhys, Physics Department, University of Coimbra, Rua Larga, 3004-516 Coimbra, Portugal.
A Simón: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
C Sofka: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
M Sorel: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
T Stiegler: Department of Physics and Astronomy, Texas A&M University, College Station, Texas 77843-4242, USA.
J F Toledo: Instituto de Instrumentación para Imagen Molecular (I3M), Centro Mixto CSIC-Universitat Politècnica de València, Camino de Vera s/n, 46022 Valencia, Spain.
J Torrent: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
Z Tsamalaidze: Joint Institute for Nuclear Research (JINR), Joliot-Curie 6, 141980 Dubna, Russia.
J F C A Veloso: Institute of Nanostructures, Nanomodelling and Nanofabrication (i3N), Universidade de Aveiro, Campus de Santiago, 3810-193 Aveiro, Portugal.
R Webb: Department of Physics and Astronomy, Texas A&M University, College Station, Texas 77843-4242, USA.
J T White: Department of Physics and Astronomy, Texas A&M University, College Station, Texas 77843-4242, USA.
N Yahlali: Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC & Universitat de València, Calle Catedrático José Beltrán, 2, 46980 Paterna, Valencia, Spain.
A new method to tag the barium daughter in the double-beta decay of ^{136}Xe is reported. Using the technique of single molecule fluorescent imaging (SMFI), individual barium dication (Ba^{++}) resolution at a transparent scanning surface is demonstrated. A single-step photobleach confirms the single ion interpretation. Individual ions are localized with superresolution (∼2 nm), and detected with a statistical significance of 12.9σ over backgrounds. This lays the foundation for a new and potentially background-free neutrinoless double-beta decay technology, based on SMFI coupled to high pressure xenon gas time projection chambers.
