Stora, lågbakgrundsdetektorer som använder xenon som målmedium används i stor utsträckning inom fundamental fysik, särskilt i experiment som söker efter mörk materia eller studerar sällsynta sönderfall av atomkärnor. I dessa detektorer kan den svaga växelverkan mellan en neutral partikel – såsom en neutrino – och en xenon-136-kärna omvandla den till en cesium-136-kärna i ett högenergiexciterat tillstånd.
De gammastrålar som sänds ut när cesium-136 slappnar av från detta exciterade tillstånd kan tillåta forskare att separera sällsynta signaler från bakgrundsradioaktivitet. Detta kan möjliggöra nya mätningar av solneutriner och kraftfullare sökningar efter vissa modeller av mörk materia. Det har dock varit svårt att söka efter dessa händelser på grund av bristen på tillförlitliga nukleära data för cesium-136. Forskare behöver känna till egenskaperna hos cesium-136:s exciterade tillstånd, som aldrig har uppmätts för denna isotop.
Denna forskning, som visas i Physical Review Letters , ger direkt bestämning av relevanta data genom att mäta gammastrålning från cesium-136 producerad i kärnreaktioner vid en partikelaccelerator. Viktigt är att denna forskning avslöjar förekomsten av så kallade "isomera tillstånd" - exciterade tillstånd som existerar i ungefär 100 ns innan de kopplar av till grundtillståndet.
I moderna partikelfysikexperiment kommer den fördröjda emissionen av gammastrålar från dessa tillstånd att visa sig som en separat, distinkt signal från den initiala reaktionen. Detta skapar en tydlig signatur i data som gör att forskare kan avvisa bakgrundsljud och entydigt identifiera dessa typer av sällsynta interaktioner.
Ett team av forskare från Lawrence Berkeley National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory, University of North Carolina—Wilmington och Duke University har utfört nya mätningar av de exciterade tillstånden i cesium-136 med hjälp av tandemacceleratorn vid Triangle Universities Nuclear Laboratory ( TUNL).
Forskarna skapade det exciterade cesium-136 genom att bombardera ett mål av xenon-136-gas med en pulserande stråle av protoner. De upptäckte den resulterande gammastrålningen med hjälp av fyra högrena germaniumdetektorer som omgav målet.
Experimentet mätte både energin hos gammastrålarna och deras detektionstider i förhållande till strålpulsen, vilket gjorde det möjligt för teamet att rekonstruera nivåstrukturen för cesium-136 kärnan och att mäta livslängden för de exciterade tillstånden som är involverade i gammastrålningen. . Två av de exciterade tillstånden identifieras som nukleära isomerer med livslängder på 95 och 157 nanosekunder.
Dessa data gör det möjligt för forskare att för första gången på ett tillförlitligt sätt modellera emissionen av gammastrålar som induceras av så kallade "laddad-ström" kärnkraftsinteraktioner i stora xenondetektorer. Detta öppnar en ny kanal för att detektera astrofysiska neutriner och möjliga kandidater för mörk materia.
Flera stora experiment som körs för närvarande (inklusive LZ, XENONnT och KAMLAND-Zen) kan omedelbart börja söka efter dessa händelser i sina data. Nästa generations experiment som nEXO eller XLZD, som kommer att innehålla mer xenon-136, kan vara unikt känsliga för lågenergikomponenter i solneutrinospektrumet, såsom neutriner från kol-kväve-syre-cykeln (CNO).
Mer information: 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
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av US Department of Energy
