Rappresentazione artistica dell'emissione di protoni beta-ritardata del berillio-11 misurata con la camera di proiezione del tempo target attivo. La traccia del protone è indicata. Credito:National Superconducting Cyclotron Laboratory
I ricercatori del National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) della Michigan State University (MSU) e del TRIUMF (l'acceleratore nazionale di particelle del Canada) hanno osservato un raro decadimento nucleare. Vale a dire, il team ha misurato i protoni a bassa energia cinetica emessi dopo il decadimento beta di un nucleo ricco di neutroni berillio-11. Il team di ricerca ha presentato i propri risultati in un articolo recentemente pubblicato su Lettere di revisione fisica .
Un nucleo atomico con molti più neutroni che protoni è ricco di neutroni e instabile. Eliminerà i neutroni in eccesso per diventare stabile attraverso il processo di decadimento beta. Il decadimento beta è comune nei nuclei atomici. In questo processo, il nucleo emette una particella beta e trasforma un neutrone in un protone, o un protone in un neutrone.
Meno comune è l'emissione di protoni in seguito al decadimento beta di un nucleo ricco di neutroni. Emissione di protoni beta-ritardata, osservato più di 40 anni fa, si verifica tipicamente nei nuclei ricchi di protoni. Per nuclei carichi di neutroni, sfida le leggi dell'energia per emettere protoni dopo il decadimento beta a meno che i neutroni non siano legati in modo lasco ed essenzialmente liberi. Questa condizione può essere soddisfatta nei cosiddetti nuclei di alone, dove uno o due neutroni orbitano attorno al nucleo rimanente a una distanza considerevole.
"Ci sono pochi nuclei ricchi di neutroni per i quali può verificarsi la sfuggente emissione di protoni dopo il decadimento beta, " disse Yassid Ayyad, fisico dei sistemi di rilevamento presso NSCL, che fa parte del gruppo di ricerca che ha osservato il raro decadimento. "Il berillio-11 è il più promettente. Diventa berillio-10 dopo il decadimento beta in boro-11 e la successiva emissione di protoni. Il decadimento radioattivo esotico che abbiamo osservato rappresenta una nuova sfida per la comprensione dei nuclei esotici, in particolare per i nuclei di alone."
Secondo gli esperimenti presso la struttura Isotope mass Separator On-Line (ISOLDE) presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) e la struttura Vienna Environmental Research Accelerator (VERA) a Vienna, la probabilità dell'emissione di protoni beta-ritardata in un nucleo ricco di neutroni è inaspettatamente alta. I ricercatori non hanno osservato direttamente i protoni provenienti dal decadimento del berillio-11. Ciò ha portato a speculazioni su un decadimento estremamente esotico. Invece di emettere un protone, il neutrone dell'alone verrebbe trasformato in una particella di materia oscura non rilevabile. La materia oscura è una sostanza ipotetica invisibile. Può essere costituito da particelle esotiche che non interagiscono con la normale materia o luce, ma esercitano comunque un'attrazione gravitazionale.
Ayyad ha sottolineato il significato di questa speculazione. "Questo scenario, se confermato, rappresenterebbe la prima osservazione indiretta della materia oscura, " Egli ha detto.
Il team ISOLDE/VERA ha suggerito un altro, meno esotico, spiegazione dell'alto tasso di decadimento. Coinvolge una stretta risonanza in boro-11 vicino alla soglia di energia in cui il nucleo può emettere un protone. Questo scenario ricorda la scoperta dello stato di Hoyle, uno stato eccitato del carbonio-12 che è molto vicino all'energia di separazione delle particelle alfa, la soglia energetica intorno alla quale il nucleo può emettere una particella alfa (elio-4). L'astronomo Fred Hoyle propose per la prima volta questo stato nel 1954 per spiegare la produzione di carbonio nelle stelle.
Yassid Ayyad, fisico dei sistemi di rilevamento presso il National Superconducting Cyclotron Laboratory della Michigan State University, fa parte del gruppo di ricerca che ha osservato un raro decadimento nel nucleo esotico del berillio-11. Qui tiene il piano del pad del rivelatore Active Target Time Projection Chamber che è stato utilizzato nell'esperimento. Credito:National Superconducting Cyclotron Laboratory
"Uno dei risultati più entusiasmanti di questo lavoro è che l'emissione di protoni procede attraverso un stato di risonanza ristretto nel nucleo di boro-11, "Ayyad ha detto, confermando così lo scenario "Hoyle-like" che coinvolge la risonanza di soglia.
Il team ha utilizzato l'Active Target Time Projection Chamber (AT-TPC) sviluppato presso NSCL per eseguire l'esperimento. Questo rilevatore a gas ha una probabilità di rilevamento molto ampia e fornisce l'energia della particella con elevata accuratezza e precisione. Il rivelatore fornisce un'immagine tridimensionale delle particelle cariche emesse nel decadimento del berillio-11, comprese le informazioni sulla loro energia. L'impianto TRIUMF Isotope Separator and Accelerator ha fornito un fascio di berillio-11. Gli sperimentatori hanno impiantato il raggio nel mezzo del rivelatore per catturarne le modalità di decadimento. Il berillio-11 è decaduto in berillio-10 e un protone, con una distribuzione di energia ristretta solo lo 0,0013 percento delle volte. Il berillio-10, insieme al protone di decadimento, si pensa che formi un nucleo di boro-11 con alta energia di eccitazione che esiste durante un breve periodo di tempo.
Questa ricerca è di interesse per studi futuri. L'AT-TPC e gli intensi fasci di isotopi rari forniti dalla Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) della MSU renderanno possibile caratterizzare questa nuova risonanza e trovarne altre, emettitori di particelle più esotiche.
