Forskere observerer eksotisk radioaktivt henfald

Forskere fra National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) ved Michigan State University (MSU) og TRIUMF (Canadas nationale partikelaccelerator) har observeret et sjældent atomforfald. Nemlig, holdet målte lav-kinetisk energi protoner udsendt efter beta-henfaldet af en neutronrig kerne beryllium-11. Forskergruppen præsenterede deres resultater i en artikel, der for nylig blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

En atomkerne med mange flere neutroner end protoner er neutronrig og ustabil. Det vil slippe af med overskydende neutroner for at blive stabile gennem beta-henfaldsprocessen. Betaforfald er almindeligt i atomkerner. I denne proces, kernen udsender en betapartikel og omdanner en neutron til en proton, eller en proton til en neutron.

Mindre almindeligt er protonemission efter betaforfald af en neutronrig kerne. Beta-forsinket protonemission, observeret for mere end 40 år siden, forekommer typisk i protonrige kerner. For neutronbelastede kerner, det trodser energilove for at udsende protoner efter beta -henfald, medmindre neutronerne er løst bundet og i det væsentlige frie. Denne betingelse kan være opfyldt i såkaldte halokerner, hvor en eller to neutroner kredser om den resterende kerne i en betydelig afstand.

"Der er få neutronrige kerner, som den undvigende protonemission efter beta-henfald kan ske for, "sagde Yassid Ayyad, detektorsystemfysiker ved NSCL, der er en del af forskergruppen, der observerede det sjældne forfald. "Beryllium-11 er den mest lovende. Det bliver beryllium-10 efter beta-henfald til bor-11 og den efterfølgende protonemission. Det eksotiske radioaktive henfald, vi observerede, repræsenterer en ny udfordring for forståelsen af ​​eksotiske kerner, især for halokerner. "

Ifølge eksperimenter ved Isotope masseseparator on-line (ISOLDE) facilitet ved European Organization for Nuclear Research (CERN) og Wien Environmental Research Accelerator (VERA) facilitet i Wien, sandsynligheden for den beta-forsinkede protonemission i en neutronrig kerne er uventet høj. Forskere observerede ikke direkte protoner, der kom fra forfaldet beryllium-11. Dette har ført til spekulationer, der involverer et ekstremt eksotisk henfald. I stedet for at udsende en proton, halo-neutronen ville blive transformeret til en ikke-detekterbar mørk stofpartikel. Mørkt stof er et uset hypotetisk stof. Det kan bestå af eksotiske partikler, der ikke interagerer med normalt stof eller lys, men stadig udøver et tyngdekraft.

Ayyad understregede betydningen af ​​denne spekulation. "Dette scenario, hvis bekræftet, ville repræsentere den første indirekte observation af mørkt stof, " han sagde.

ISOLDE/VERA -teamet foreslog en anden, mindre eksotisk, forklaring på den høje forfaldshastighed. Det involverer en smal resonans i bor-11 tæt på energitærsklen, hvor kernen får lov til at udsende en proton. Dette scenario minder om opdagelsen af ​​Hoyle -staten, en ophidset tilstand af carbon-12, der er meget tæt på alfa-partikel separationsenergien, energitærsklen, som kernen kan udsende en alfa-partikel om (helium-4). Astronomen Fred Hoyle foreslog først denne tilstand i 1954 for at forklare produktionen af ​​kulstof i stjerner.

"Et af de mest spændende resultater af dette arbejde er, at protonemissionen foregår gennem en meget begejstret, snæver resonansstilstand i bor-11-kernen, "Sagde Ayyad, bekræfter dermed det "Hoyle-lignende" scenario, der involverer tærskelresonansen.

Teamet brugte Active Target Time Projection Chamber (AT-TPC) udviklet på NSCL til at udføre eksperimentet. Denne gasfyldte detektor har en meget stor påvisningssandsynlighed og giver partikelens energi høj nøjagtighed og præcision. Detektoren leverer et tredimensionelt billede af de ladede partikler, der udsendes i beryllium-11 henfald, herunder information om deres energi. TRIUMF-isotopseparatoren og acceleratorfaciliteten leverede en beryllium-11-stråle. Eksperimenter implanterede strålen i midten af ​​detektoren for at fange dens forfaldstilstande. Beryllium-11 forfaldt til beryllium-10 og en proton, med en snæver energifordeling kun 0,0013 procent af tiden. Beryllium-10, sammen med henfaldsprotonen, menes at danne en bor-11-kerne med høj excitationsenergi, der eksisterer i løbet af en kort periode.

Denne forskning er af interesse for fremtidige undersøgelser. AT-TPC og de intense sjældne isotopstråler leveret af Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) på MSU vil gøre det muligt at karakterisere denne nye resonans og finde andre, mere eksotiske partikelemittere.