Physiker stellen Methode zur mechanischen Erkennung einzelner Kernzerfälle vor

In den letzten Jahren haben Physiker und Ingenieure immer ausgefeiltere Instrumente entwickelt, um Teilchen und ihre Wechselwirkungen mit hoher Präzision zu untersuchen. Diese Instrumente, zu denen Teilchendetektoren, Sensoren und Beschleunigungsmesser gehören, könnten Forschern helfen, physikalische Prozesse detaillierter zu untersuchen und so möglicherweise zu interessanten neuen Entdeckungen beitragen.

Forscher der Yale University haben kürzlich eine neue Methode vorgestellt, mit der sich ein einzelner Atomzerfall mechanisch nachweisen lässt. Dabei handelt es sich um den Prozess, bei dem ein instabiler Atomkern durch Strahlungsemission Energie verliert. Ihr vorgeschlagener Ansatz, der in ein Papier In Briefe zur körperlichen Überprüfungist empfindlich gegenüber allen beim Zerfall emittierten Teilchen, einschließlich neutraler Teilchen, die mit den bestehenden Methoden nur schwer oder gar nicht erkannt werden können.

„Unsere Gruppe entwickelt empfindliche Kraftsensoren und Beschleunigungsmesser im Mikronbereich, die optisch gefangene Teilchen im Vakuum verwenden“, sagte David C. Moore, Co-Autor der Studie, gegenüber Phys.org. „Vor Kurzem ist die Empfindlichkeit dieser Systeme so gut geworden, dass wir erkannt haben, dass wir die Kräfte messen können, die von einem einzigen Elementarteilchen ausgehen, beispielsweise einem Alphateilchen, das bei einem Kernzerfall freigesetzt wird.“

Das Hauptziel der jüngsten Forschung von Moore und seinen Kollegen war die Entwicklung neuer Techniken zur Erkennung von Kernzerfällen unter Ausnutzung der Kräfte, die von einzelnen Elementarteilchen ausgehen. Solche Techniken würden es ihnen letztendlich ermöglichen, Teilchen zu erkennen, die keine elektrische Ladung haben (also neutrale Teilchen), deren Erkennung mit herkömmlichen Detektoren besonders schwierig sein kann.

„Unser Ansatz besteht darin, die Bewegung eines einzelnen Staubpartikels zu überwachen, in dem radioaktive Atomkerne eingebettet sind“, erklärte Moore. „Wenn auch nur ein einziger Atomkern in dem Staubpartikel zerfällt, können wir dies feststellen, indem wir eine Änderung der elektrischen Ladung des Partikels beobachten, wenn geladene Partikel wie Alpha- oder Betateilchen entweichen.“

In ihren ersten Experimenten zeigte das Team, dass ihre Methode die Erkennung einzelner nuklearer β-Zerfälle ermöglicht. Bemerkenswerterweise konnten die Forscher auch den gesamten Partikelrückstoß auf einer präzisen Skala von Dutzenden Nanometern beobachten, indem sie die Position einer Kugel in ihrem Aufbau anhand des von ihr gestreuten Laserlichts sorgfältig maßen.

„Unser Ansatz ermöglicht es uns, einzelne Zerfälle innerhalb der Partikel zu erkennen, selbst wenn sie sehr selten auftreten, beispielsweise nur einmal am Tag“, sagte Moore. „Dies könnte es uns ermöglichen, staubgroße Partikel zu untersuchen, die für die nukleare Überwachung und Nichtverbreitung relevant sind, und einzelne Zerfälle langlebiger Isotope zu erkennen.“

Diese Arbeit könnte bald interessante Möglichkeiten für die Teilchenphysikforschung eröffnen. Die vielversprechende Nachweismethode, die sie eingeführt hat, könnte beispielsweise zur Suche nach dunkler Materie und exotischen Teilchen eingesetzt werden oder das Studium von Kernprozessen und neutralen Teilchen vorantreiben, die sich herkömmlichen Detektoren entziehen.

„In unserer zukünftigen Arbeit wollen wir die gleichen Techniken auf kleinere Nanopartikel ausdehnen“, fügte Moore hinzu. „Dadurch können wir den Impulsschub eines einzelnen Neutrinos erkennen, das die Kugel verlässt. Neutrinos interagieren so schwach miteinander, dass sie andernfalls im Wesentlichen ebenfalls unentdeckt entkommen würden, aber diese neue Technik könnte neue Werkzeuge für die Untersuchung dieser schwer fassbaren Partikel liefern.“

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