Søger efter forfaldet af naturens sjældneste isotop:Tantal-180m

Tantal er et af de sjældneste grundstoffer og har flere stabile isotoper. Den mindst udbredte tantalisotop, Ta-180, findes naturligt i en langlivet ophidset tilstand, en egenskab, der er unik for denne isotop. I exciterede tilstande har en kernes protoner eller neutroner højere end normale energiniveauer.

Selvom det er energetisk muligt, er det radioaktive henfald af denne ophidsede tilstand i Ta-180m aldrig blevet observeret. Forskere udfører nu eksperimenter, der har til formål at måle dette henfald, som forventes at have en levetid cirka 1 million gange længere end universets alder.

Nedbrydningen af ​​exciterede tilstande af kerner giver indsigt i, hvordan kerner deformeres, når de er i disse tilstande. Kernefysikere har grundigt undersøgt variationerne i form og den deraf følgende dannelse af disse kortlivede isotoper, kaldet isomerer. De har dog ikke grundigt undersøgt et af de mest ekstreme tilfælde, henfaldet af Ta-180m.

Fysikere kan bruge nuklear teori til at forudsige henfaldet af Ta-180m baseret på viden om kortere levetid isomerer, men denne særlige isomer er ikke blevet målt. Dens exceptionelle stabilitet udfordrer eksisterende teorier og modeller for nuklear struktur og forfald. Det betyder, at måling af henfald i Ta-180m er en hidtil uset mulighed for at bidrage til nuklear teori.

Nu har forskere for første gang udtænkt et eksperiment med den nødvendige følsomhed for at nå de forudsagte halveringstider. Eksperimentet har produceret indledende data og etableret de længste grænser, der nogensinde er opnået i nukleare isomerundersøgelser. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .

I dette projekt omstrukturerede fysikere MAJORANA-faciliteten med ultralav baggrund ved Sanford Underground Research Facility i South Dakota. Derudover introducerede de en væsentligt større tantalprøve sammenlignet med nogen tidligere brugt i lignende undersøgelser.

I løbet af et år indsamlede forskere data ved hjælp af germaniumdetektorer med enestående energiopløsning. De udviklede også analysemetoder specielt skræddersyet til at detektere flere forventede henfaldssignaturer. Disse kombinerede bestræbelser har gjort det muligt for dem at etablere hidtil usete grænser, der falder inden for intervallet 10 ¹⁸ til 10 ¹⁹ flere år. Dette niveau af følsomhed markerer det første tilfælde, hvor forudsagte halveringstidsværdier fra nuklear teori er blevet tilgængelige.

Selvom nedbrydningsprocessen endnu ikke er blevet observeret, har disse fremskridt væsentligt forbedret eksisterende grænser med en til to størrelsesordener. Desuden har disse fremskridt gjort det muligt for forskere at afvise visse parameterområder forbundet med forskellige potentielle mørkt stofpartikler.

Flere oplysninger: I. J. Arnquist et al, Constraints on the Decay of Ta180m, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.152501

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af det amerikanske energiministerium