Wetenschap
Op zoek naar het verval van de zeldzaamste isotoop van de natuur:Tantaal-180m
Tantaal is een van de zeldzaamste elementen en heeft meerdere stabiele isotopen. De minst voorkomende tantaalisotoop, Ta-180, wordt van nature aangetroffen in een langlevende opgewonden toestand, een kenmerk dat uniek is voor deze isotoop. In aangeslagen toestanden hebben de protonen of neutronen van een kern een hoger energieniveau dan normaal.
Hoewel energetisch mogelijk, is het radioactieve verval van deze aangeslagen toestand in Ta-180m nooit waargenomen. Onderzoekers voeren nu experimenten uit die tot doel hebben dit verval te meten, dat naar verwachting een levensduur zal hebben die ongeveer 1 miljoen keer langer zal zijn dan de leeftijd van het universum.
Het verval van aangeslagen toestanden van kernen geeft inzicht in hoe kernen vervormen wanneer ze zich in die toestanden bevinden. Kernfysici hebben de variaties in vorm en de daaruit voortvloeiende vorming van deze kortlevende isotopen, die isomeren worden genoemd, uitgebreid bestudeerd. Ze hebben echter een van de meest extreme gevallen, het verval van Ta-180m, nog niet grondig bestudeerd.
Natuurkundigen kunnen de kerntheorie gebruiken om het verval van Ta-180m te voorspellen op basis van de kennis van isomeren met een kortere levensduur, maar dit specifieke isomeer is nog niet gemeten. De uitzonderlijke stabiliteit ervan daagt bestaande theorieën en modellen van nucleaire structuur en verval uit. Dit betekent dat het meten van verval in Ta-180m een ongekende kans is om bij te dragen aan de nucleaire theorie.
Nu hebben wetenschappers voor het eerst een experiment bedacht met de vereiste gevoeligheid om de voorspelde halfwaardetijden te bereiken. Het experiment heeft de eerste gegevens opgeleverd en de langste limieten vastgesteld die ooit zijn bereikt in onderzoeken naar nucleaire isomeren. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .
In dit project hebben natuurkundigen de MAJORANA-faciliteit met ultra-lage achtergrond in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota geherstructureerd. Bovendien introduceerden ze een aanzienlijk groter tantaalmonster vergeleken met eerder gebruikt in soortgelijke onderzoeken.
In de loop van een jaar verzamelden onderzoekers gegevens met behulp van germaniumdetectoren met een uitzonderlijke energieresolutie. Ze ontwikkelden ook analysemethoden die specifiek waren toegesneden op het detecteren van meerdere verwachte vervalsignaturen. Deze gecombineerde inspanningen hebben hen in staat gesteld ongekende limieten vast te stellen, die binnen het bereik van 10 18 vallen tot 10 19 jaar. Dit gevoeligheidsniveau markeert het eerste geval waarin voorspelde halfwaardetijden uit de kerntheorie haalbaar zijn geworden.
Hoewel het vervalproces nog niet is waargenomen, hebben deze ontwikkelingen de bestaande grenzen aanzienlijk verbeterd met één tot twee ordes van grootte. Bovendien heeft deze vooruitgang onderzoekers in staat gesteld bepaalde parameterbereiken die verband houden met verschillende potentiële donkere materiedeeltjes te verwerpen.