Tantal är ett av de mest sällsynta grundämnena och har flera stabila isotoper. Den minst rikliga tantalisotopen, Ta-180, finns naturligt i ett långlivat upphetsat tillstånd, en egenskap unik för denna isotop. I exciterade tillstånd har en kärnas protoner eller neutroner högre energinivåer än normala.

Även om det är energetiskt möjligt, har det radioaktiva sönderfallet av detta exciterade tillstånd i Ta-180m aldrig observerats. Forskare genomför nu experiment som syftar till att mäta detta förfall, som förväntas ha en livstid ungefär 1 miljon gånger längre än universums ålder.

Förfallet av exciterade tillstånd av kärnor ger insikter om hur kärnor deformeras när de är i dessa tillstånd. Kärnfysiker har utförligt studerat variationerna i form och den därav följande bildningen av dessa kortlivade isotoper, kallade isomerer. De har dock inte noggrant studerat ett av de mest extrema fallen, sönderfallet av Ta-180m.

Fysiker kan använda kärnteori för att förutsäga sönderfallet av Ta-180m baserat på kunskapen om kortlivade isomerer, men just denna isomer har inte mätts. Dess exceptionella stabilitet utmanar befintliga teorier och modeller för kärnkraftsstruktur och förfall. Detta innebär att mätning av sönderfall i Ta-180m är en aldrig tidigare skådad möjlighet att bidra till kärnkraftsteori.

Nu har forskare för första gången utarbetat ett experiment med den känslighet som krävs för att nå de förutsagda halveringstiderna. Experimentet har producerat initiala data och fastställt de längsta gränserna som någonsin uppnåtts i nukleära isomerstudier. Forskningen är publicerad i tidskriften Physical Review Letters .

I detta projekt omstrukturerade fysiker MAJORANA-anläggningen med ultralåg bakgrund vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota. Dessutom introducerade de ett avsevärt större tantalprov jämfört med något som tidigare använts i liknande studier.

Under loppet av ett år har forskare samlat in data med germaniumdetektorer med exceptionell energiupplösning. De utvecklade också analysmetoder speciellt anpassade för att upptäcka flera förväntade förfallssignaturer. Dessa kombinerade ansträngningar har gjort det möjligt för dem att fastställa aldrig tidigare skådade gränser, som faller inom intervallet 10 ¹⁸ till 10 ¹⁹ år. Denna nivå av känslighet markerar det första tillfället där förutspådda halveringstidvärden från kärnkraftsteorin har blivit nåbara.

Även om förfallsprocessen ännu inte har observerats, har dessa framsteg avsevärt förbättrat befintliga gränser med en till två storleksordningar. Dessutom har dessa framsteg gjort det möjligt för forskare att avfärda vissa parameterintervall som är associerade med olika potentiella partiklar av mörk materia.

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

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev

Tillhandahålls av US Department of Energy