Onderzoekers van het National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) van de Michigan State University (MSU) en TRIUMF (de nationale deeltjesversneller van Canada) hebben een zeldzaam nucleair verval waargenomen. Namelijk, het team mat protonen met lage kinetische energie die werden uitgezonden na het bètaverval van een neutronenrijke kern beryllium-11. Het onderzoeksteam presenteerde hun resultaten in een recent gepubliceerd artikel in Fysieke beoordelingsbrieven .

Een atoomkern met veel meer neutronen dan protonen is neutronenrijk en onstabiel. Het zal overtollige neutronen kwijtraken om stabiel te worden door het bètavervalproces. Beta-verval komt veel voor in atoomkernen. In dit proces, de kern zendt een bètadeeltje uit en transformeert een neutron in een proton, of een proton in een neutron.

Minder gebruikelijk is de emissie van protonen na bètaverval van een neutronenrijke kern. Beta-vertraagde protonenemissie, meer dan 40 jaar geleden waargenomen, komt meestal voor in protonrijke kernen. Voor met neutronen beladen kernen, het tart de energiewetten om protonen uit te zenden na bètaverval, tenzij de neutronen losjes gebonden en in wezen vrij zijn. Aan deze voorwaarde kan worden voldaan in zogenaamde halo-kernen, waar een of twee neutronen op aanzienlijke afstand om de resterende kern draaien.

"Er zijn maar weinig neutronenrijke kernen waarvoor de ongrijpbare protonemissie na bètaverval kan plaatsvinden, " zei Yassid Ayyad, detectorsysteemfysicus bij NSCL, die deel uitmaakt van het onderzoeksteam dat het zeldzame verval heeft waargenomen. "Beryllium-11 is de meest veelbelovende. Het wordt beryllium-10 na bètaverval tot boor-11 en de daaropvolgende protonemissie. Het exotische radioactieve verval dat we hebben waargenomen, vormt een nieuwe uitdaging voor het begrip van exotische kernen, in het bijzonder voor halo-kernen."

Volgens experimenten in de Isotope Mass Separator On-Line (ISOLDE)-faciliteit bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) en de Weense Environmental Research Accelerator (VERA)-faciliteit in Wenen, de kans op bèta-vertraagde protonenemissie in een neutronenrijke kern is onverwacht hoog. Onderzoekers hebben niet direct protonen waargenomen die afkomstig zijn van het beryllium-11-verval. Dit heeft geleid tot speculaties over een extreem exotisch verval. In plaats van een proton uit te zenden, het halo-neutron zou worden omgezet in een niet-detecteerbaar donkere-materiedeeltje. Donkere materie is een onzichtbare hypothetische substantie. Het kan bestaan ​​uit exotische deeltjes die geen interactie hebben met normale materie of licht, maar toch een aantrekkingskracht uitoefenen.

Ayyad benadrukte het belang van deze speculatie. "Dit scenario, indien bevestigd, zou de eerste indirecte waarneming van donkere materie vertegenwoordigen, " hij zei.

Het ISOLDE/VERA-team stelde een andere voor, minder exotisch, verklaring van de hoge vervalsnelheid. Het gaat om een ​​nauwe resonantie in boor-11 dicht bij de energiedrempel waar de kern een proton mag uitzenden. Dit scenario doet denken aan de ontdekking van de staat Hoyle, een aangeslagen toestand van koolstof-12 die zeer dicht bij de scheidingsenergie van alfadeeltjes ligt, de energiedrempel waarrond de kern een alfadeeltje (helium-4) kan uitzenden. Astronoom Fred Hoyle stelde deze toestand voor het eerst voor in 1954 om de productie van koolstof in sterren te verklaren.

"Een van de meest opwindende resultaten van dit werk is dat de protonenemissie verloopt via een zeer opgewonden, smalle resonantietoestand in de boor-11-kern, "Ayad zei, waarmee het "Hoyle-achtige" scenario met de drempelresonantie wordt bevestigd.

Het team gebruikte de Active Target Time Projection Chamber (AT-TPC) ontwikkeld bij NSCL om het experiment uit te voeren. Deze gasgevulde detector heeft een zeer grote detectiekans en levert de energie van het deeltje met hoge nauwkeurigheid en precisie. De detector levert een driedimensionaal beeld van de geladen deeltjes die worden uitgezonden in het beryllium-11-verval, inclusief informatie over hun energie. De TRIUMF Isotope Separator and Accelerator-faciliteit leverde een beryllium-11-straal. Onderzoekers implanteerden de straal in het midden van de detector om de vervalmodi vast te leggen. Het beryllium-11 viel uiteen in beryllium-10 en een proton, met een smalle energieverdeling slechts 0,0013 procent van de tijd. De beryllium-10, samen met het vervalproton, wordt verondersteld een boor-11-kern te vormen met hoge excitatie-energie die gedurende een korte periode bestaat.

Dit onderzoek is interessant voor toekomstig onderzoek. De AT-TPC en de intense bundels van zeldzame isotopen die worden geleverd door de Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) van MSU, zullen het mogelijk maken om deze nieuwe resonantie te karakteriseren en andere, meer exotische deeltjesstralers.