Forskare från National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) vid Michigan State University (MSU) och TRIUMF (Kanadas nationella partikelaccelerator) har observerat ett sällsynt nukleärt sönderfall. Nämligen, teamet mätte protoner med låg kinetisk energi som emitterades efter beta-sönderfallet av en neutronrik kärna beryllium-11. Forskargruppen presenterade sina resultat i en artikel som nyligen publicerades i Fysiska granskningsbrev .

En atomkärna med många fler neutroner än protoner är neutronrik och instabil. Det kommer att bli av med överskott av neutroner för att bli stabila genom betaförfallsprocessen. Beta-sönderfall är vanligt i atomkärnor. I denna process, kärnan avger en beta-partikel och omvandlar en neutron till en proton, eller en proton till en neutron.

Mindre vanligt är protonemission efter betaförfall av en neutronrik kärna. Betafördröjd protonemission, observerade för mer än 40 år sedan, förekommer vanligtvis i protonrika kärnor. För neutronladdade kärnor, det trotsar energilagarna att avge protoner efter beta-sönderfall om inte neutronerna är löst bundna och i huvudsak fria. Detta villkor kan vara uppfyllt i så kallade halokärnor, där en eller två neutroner kretsar kring den återstående kärnan på ett betydande avstånd.

"Det finns få neutronrika kärnor för vilka den svårfångade protonemissionen efter beta-sönderfall kan inträffa, sa Yassid Ayyad, detektorsystemsfysiker på NSCL, som ingår i forskargruppen som observerade det sällsynta förfallet. "Beryllium-11 är det mest lovande. Det blir beryllium-10 efter betasönderfall till bor-11 och den efterföljande protonemissionen. Det exotiska radioaktiva sönderfallet vi observerade representerar en ny utmaning för förståelsen av exotiska kärnor, i synnerhet för halokärnor. "

Enligt experiment vid Isotope Mass Separator On-Line (ISOLDE)-anläggningen vid European Organization for Nuclear Research (CERN) och Vienna Environmental Research Accelerator (VERA)-anläggningen i Wien, sannolikheten för den beta-fördröjda protonemissionen i en neutronrik kärna är oväntat hög. Forskare observerade inte direkt protoner som kom från beryllium-11-sönderfallet. Detta har lett till spekulationer om ett extremt exotiskt förfall. Istället för att avge en proton, Haloneutronen skulle omvandlas till en odetekterbar mörk materia partikel. Mörk materia är en osynlig hypotetisk substans. Den kan bestå av exotiska partiklar som inte interagerar med normal materia eller ljus men som ändå utövar en gravitationskraft.

Ayyad betonade betydelsen av denna spekulation. "Detta scenario, om det bekräftas, skulle representera den första indirekta observationen av mörk materia, " han sa.

ISOLDE/VERA-teamet föreslog en annan, mindre exotisk, förklaring till den höga sönderfallshastigheten. Det innebär en smal resonans i bor-11 nära energitröskeln där kärnan tillåts avge en proton. Detta scenario påminner om upptäckten av Hoyle-staten, ett upphetsat tillstånd av kol-12 som ligger mycket nära alfa-partikelns separationsenergi, energitröskeln kring vilken kärnan kan avge en alfapartikel (helium-4). Astronomen Fred Hoyle föreslog detta tillstånd först 1954 för att förklara produktionen av kol i stjärnor.

"Ett av de mest spännande resultaten av detta arbete är att protonemissionen fortsätter genom en mycket upphetsad, smalt resonanstillstånd i bor-11 kärnan, "Ayyad sa, vilket bekräftar det "Hoyle-liknande" scenariot som involverar tröskelresonansen.

Teamet använde Active Target Time Projection Chamber (AT-TPC) som utvecklats vid NSCL för att utföra experimentet. Denna gasfyllda detektor har en mycket stor detekteringssannolikhet och ger partikelns energi med hög noggrannhet och precision. Detektorn levererar en tredimensionell bild av de laddade partiklarna som emitteras i beryllium-11-sönderfallet, inklusive information om deras energi. TRIUMF Isotopseparator och acceleratoranläggning levererade en beryllium-11-stråle. Experimenter implanterade strålen i mitten av detektorn för att fånga dess sönderfallslägen. Beryllium-11 sönderföll till beryllium-10 och en proton, med en smal energifördelning endast 0,0013 procent av tiden. Beryllium-10, tillsammans med sönderfallsprotonen, tros bilda en bor-11 kärna med hög excitationsenergi som existerar under en kort tidsperiod.

Denna forskning är av intresse för framtida studier. AT-TPC och de intensiva strålarna av sällsynta isotoper som tillhandahålls av Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) vid MSU kommer att göra det möjligt att karakterisera denna nya resonans och hitta andra, mer exotiska partikelutsändare.