Grote detectoren met een lage achtergrond die xenon als doelmedium gebruiken, worden veel gebruikt in de fundamentele natuurkunde, vooral bij experimenten op zoek naar donkere materie of het bestuderen van zeldzaam verval van atoomkernen. In deze detectoren kan de zwakke interactie van een neutraal deeltje (zoals een neutrino) met een xenon-136-kern dit transformeren in een cesium-136-kern in een hoogenergetische aangeslagen toestand.

De gammastraling die wordt uitgezonden wanneer het cesium-136 zich ontspant uit deze aangeslagen toestand, zou wetenschappers in staat kunnen stellen zeldzame signalen te scheiden van achtergrondradioactiviteit. Dit kan nieuwe metingen van zonne-neutrino's en krachtigere zoekopdrachten naar bepaalde modellen van donkere materie mogelijk maken. Het zoeken naar deze gebeurtenissen was echter moeilijk vanwege een gebrek aan betrouwbare nucleaire gegevens voor cesium-136. Onderzoekers moeten de eigenschappen van de aangeslagen toestanden van cesium-136 kennen, die voor deze isotoop nog nooit zijn gemeten.

Dit onderzoek verschijnt in Physical Review Letters , biedt directe bepaling van de relevante gegevens door het meten van de gammastralingsemissie van cesium-136 geproduceerd in kernreacties bij een deeltjesversneller. Belangrijk is dat dit onderzoek het bestaan ​​aan het licht brengt van zogenaamde 'isomere toestanden':opgewonden toestanden die ongeveer 100 ns duren voordat ze ontspannen naar de grondtoestand.

In moderne deeltjesfysica-experimenten zal de vertraagde emissie van gammastraling vanuit deze toestanden verschijnen als een afzonderlijk, duidelijk signaal van de initiële reactie. Hierdoor ontstaat er een duidelijke signatuur in de gegevens, waardoor onderzoekers achtergrondruis kunnen verwerpen en dit soort zeldzame interacties ondubbelzinnig kunnen identificeren.

Een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory, het SLAC National Accelerator Laboratory, de University of North Carolina-Wilmington en Duke University heeft nieuwe metingen uitgevoerd van de aangeslagen toestanden in cesium-136 met behulp van de tandemversneller van het Triangle Universities Nuclear Laboratory ( TUNL).

De onderzoekers creëerden het opgewonden cesium-136 door een doelwit van xenon-136-gas te bombarderen met een gepulseerde straal protonen. Ze ontdekten de resulterende emissie van gammastraling met behulp van vier zeer zuivere germaniumdetectoren die het doel omringden.

Het experiment mat zowel de energie van de gammastraling als hun detectietijden ten opzichte van de straalpuls, waardoor het team de niveaustructuur van de cesium-136-kern kon reconstrueren en de levensduur kon meten van de aangeslagen toestanden die betrokken zijn bij de emissie van gammastraling. . Twee van de aangeslagen toestanden worden geïdentificeerd als nucleaire isomeren met een levensduur van 95 en 157 nanoseconden.

Deze gegevens stellen onderzoekers voor het eerst in staat om op betrouwbare wijze de emissie van gammastraling te modelleren die wordt geïnduceerd door zogenaamde "geladen stroom" nucleaire interacties in grote xenondetectoren. Dit opent een nieuw kanaal voor het detecteren van astrofysische neutrino's en mogelijke kandidaten voor donkere materie.

Verschillende grote experimenten die momenteel lopen (waaronder LZ, XENONnT en KAMLAND-Zen) kunnen onmiddellijk beginnen met het zoeken naar deze gebeurtenissen in hun gegevens. Experimenten van de volgende generatie, zoals nEXO of XLZD, die meer xenon-136 zullen bevatten, kunnen bijzonder gevoelig zijn voor energiezuinige componenten van het zonne-neutrinospectrum, zoals neutrino's uit de koolstof-stikstof-zuurstofcyclus (CNO).

Meer informatie: S. J. Haselschwardt et al., Observatie van laaggelegen isomere toestanden in Cs136:een nieuwe weg voor de detectie van donkere materie en zonneneutrino's in xenondetectoren, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.052502

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door het Amerikaanse ministerie van Energie