Tantal ist eines der seltensten Elemente und weist mehrere stabile Isotope auf. Ta-180, das am wenigsten vorkommende Tantalisotop, kommt in der Natur in einem langlebigen angeregten Zustand vor, eine Eigenschaft, die nur für dieses Isotop gilt. In angeregten Zuständen haben die Protonen oder Neutronen eines Kerns höhere Energieniveaus als normal.
Obwohl energetisch möglich, wurde der radioaktive Zerfall dieses angeregten Zustands in Ta-180m nie beobachtet. Forscher führen derzeit Experimente durch, um diesen Zerfall zu messen, dessen Lebensdauer voraussichtlich etwa eine Million Mal länger ist als das Alter des Universums.
Der Zerfall angeregter Kernzustände liefert Erkenntnisse darüber, wie sich Kerne in diesen Zuständen verformen. Kernphysiker haben die Variationen in der Form und die daraus resultierende Bildung dieser kurzlebigen Isotope, sogenannte Isomere, eingehend untersucht. Allerdings haben sie einen der extremsten Fälle, den Zerfall von Ta-180m, nicht gründlich untersucht.
Physiker können die Kerntheorie nutzen, um den Zerfall von Ta-180m basierend auf dem Wissen über kurzlebige Isomere vorherzusagen, aber dieses spezielle Isomer wurde nicht gemessen. Seine außergewöhnliche Stabilität stellt bestehende Theorien und Modelle der Kernstruktur und des Kernzerfalls in Frage. Das bedeutet, dass die Messung des Zerfalls von Ta-180m eine beispiellose Gelegenheit ist, zur Kerntheorie beizutragen.
Jetzt ist es Wissenschaftlern erstmals gelungen, ein Experiment mit der erforderlichen Empfindlichkeit zu entwickeln, um die vorhergesagten Halbwertszeiten zu erreichen. Das Experiment hat erste Daten geliefert und die längsten Grenzwerte ermittelt, die jemals in Kernisomerstudien erreicht wurden. Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung.
In diesem Projekt haben Physiker das neu strukturiert MAJORANA Ultra-Low-Hintergrund-Anlage in der Sanford Underground Research Facility in South Dakota. Darüber hinaus führten sie eine wesentlich größere Tantalprobe ein als alle zuvor in ähnlichen Studien verwendeten.
Im Laufe eines Jahres sammelten Forscher Daten mit Germaniumdetektoren, die sich durch eine außergewöhnliche Energieauflösung auszeichneten. Sie entwickelten außerdem Analysemethoden, die speziell darauf zugeschnitten sind, mehrere zu erwartende Zerfallssignaturen zu erkennen. Diese gemeinsamen Anstrengungen haben es ihnen ermöglicht, beispiellose Grenzwerte festzulegen, die im Bereich von 1018 bis 1019 Jahren liegen. Dieses Maß an Empfindlichkeit markiert das erste Mal, dass vorhergesagte Halbwertszeitwerte aus der Kerntheorie erreichbar sind.
Obwohl der Zerfallsprozess noch nicht beobachtet wurde, haben diese Fortschritte die bestehenden Grenzwerte deutlich um ein bis zwei Größenordnungen erhöht. Darüber hinaus hat dieser Fortschritt es Forschern ermöglicht, bestimmte Parameterbereiche auszuschließen, die mit verschiedenen potenziellen Teilchen der Dunklen Materie in Zusammenhang stehen.
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IJ Arnquist et al, Einschränkungen beim Zerfall von Ta180m, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.152501