Opdagelse af lavtliggende isomere tilstande i cæsium-136 har anvendelser i partikelastrofysik

Store detektorer med lav baggrund, der bruger xenon som et målmedium, er meget brugt i fundamental fysik, især i eksperimenter, der søger efter mørkt stof eller studerer sjældne henfald af atomkerner. I disse detektorer kan den svage interaktion mellem en neutral partikel – såsom en neutrino – og en xenon-136-kerne omdanne den til en cæsium-136-kerne i en højenergi-exciteret tilstand.

De gammastråler, der udsendes, når cæsium-136 slapper af fra denne ophidsede tilstand, kunne gøre det muligt for forskere at adskille sjældne signaler fra baggrundsradioaktivitet. Dette kan muliggøre nye målinger af solneutrinoer og mere kraftfulde søgninger efter visse modeller af mørkt stof. Det har imidlertid været vanskeligt at søge efter disse hændelser på grund af mangel på pålidelige nukleare data for cæsium-136. Forskere skal kende egenskaberne af cæsium-136's exciterede tilstande, som aldrig er blevet målt for denne isotop.

Denne forskning, der vises i Physical Review Letters , giver direkte bestemmelse af de relevante data ved at måle gamma-stråleemission fra cæsium-136 produceret i nukleare reaktioner ved en partikelaccelerator. Det er vigtigt, at denne forskning afslører eksistensen af ​​såkaldte "isomeriske tilstande" - exciterede tilstande, der eksisterer i cirka 100 ns, før de slapper af til grundtilstanden.

I moderne partikelfysiske eksperimenter vil den forsinkede emission af gammastråler fra disse tilstande vise sig som et separat, distinkt signal fra den indledende reaktion. Dette skaber en klar signatur i dataene, der gør det muligt for forskere at afvise baggrundsstøj og utvetydigt identificere disse typer af sjældne interaktioner.

Et team af forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory, University of North Carolina—Wilmington og Duke University har udført nye målinger af de exciterede tilstande i cæsium-136 ved hjælp af tandemacceleratoren ved Triangle Universities Nuclear Laboratory ( TUNL).

Forskerne skabte det ophidsede cæsium-136 ved at bombardere et mål af xenon-136-gas med en pulserende stråle af protoner. De detekterede den resulterende gammastråleemission ved hjælp af fire højrente germaniumdetektorer omkring målet.

Eksperimentet målte både energien af ​​gammastrålerne og deres detektionstider i forhold til stråleimpulsen, hvilket gjorde det muligt for holdet at rekonstruere niveaustrukturen af ​​cæsium-136 kernen og måle levetiden af ​​de exciterede tilstande involveret i gammastråleemissionen . To af de exciterede tilstande er identificeret som nukleare isomerer med levetider på 95 og 157 nanosekunder.

Disse data gør det muligt for forskere for første gang pålideligt at modellere emissionen af ​​gammastråler induceret af såkaldt "ladet-strøm" nukleare interaktioner i store xenon-detektorer. Dette åbner en ny kanal til påvisning af astrofysiske neutrinoer og mulige mørkt stof-kandidater.

Flere store eksperimenter, der kører i øjeblikket (inklusive LZ, XENONnT og KAMLAND-Zen) kan straks begynde at søge efter disse hændelser i deres data. Næste generations eksperimenter såsom nEXO eller XLZD, som vil indeholde mere xenon-136, kan være unikt følsomme over for lavenergikomponenter i sol-neutrinospektret, såsom neutrinoer fra kulstof-nitrogen-ilt (CNO)-cyklussen.

Flere oplysninger: S. J. Haselschwardt et al, Observation of Low-lying isomeric States in Cs136:A New Avenue for Dark Matter and Solar Neutrino Detection in Xenon Detectors, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.052502

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af det amerikanske energiministerium