Grandi rivelatori a basso fondo che utilizzano lo xeno come mezzo bersaglio sono ampiamente utilizzati nella fisica fondamentale, in particolare negli esperimenti alla ricerca della materia oscura o nello studio dei rari decadimenti dei nuclei atomici. In questi rivelatori, la debole interazione di una particella neutra, come un neutrino, con un nucleo di xeno-136 può trasformarlo in un nucleo di cesio-136 in uno stato eccitato ad alta energia.
I raggi gamma emessi quando il cesio-136 si rilassa da questo stato eccitato potrebbero consentire agli scienziati di separare segnali rari dalla radioattività di fondo. Ciò può consentire nuove misurazioni dei neutrini solari e ricerche più potenti per determinati modelli di materia oscura. Tuttavia, la ricerca di questi eventi è stata difficile a causa della mancanza di dati nucleari affidabili per il cesio-136. I ricercatori devono conoscere le proprietà degli stati eccitati del cesio-136, che non sono mai stati misurati per questo isotopo.
Questa ricerca, apparsa in Physical Review Letters , fornisce la determinazione diretta dei dati rilevanti misurando l'emissione di raggi gamma dal cesio-136 prodotto nelle reazioni nucleari in un acceleratore di particelle. È importante sottolineare che questa ricerca rivela l'esistenza dei cosiddetti "stati isomerici", ovvero stati eccitati che esistono per circa 100 ns prima di rilassarsi allo stato fondamentale.
Nei moderni esperimenti di fisica delle particelle, l’emissione ritardata di raggi gamma da questi stati si presenterà come un segnale separato e distinto dalla reazione iniziale. Ciò crea una firma chiara nei dati che consente ai ricercatori di rifiutare il rumore di fondo e identificare in modo inequivocabile questi tipi di interazioni rare.
Un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory, dello SLAC National Accelerator Laboratory, dell'Università della Carolina del Nord-Wilmington e della Duke University ha eseguito nuove misurazioni degli stati eccitati nel cesio-136 utilizzando l'acceleratore tandem presso il Triangle Universities Nuclear Laboratory ( TUNL).
I ricercatori hanno creato il cesio-136 eccitato bombardando un bersaglio di gas xeno-136 con un fascio pulsato di protoni. Hanno rilevato l'emissione di raggi gamma risultante utilizzando quattro rilevatori di germanio ad elevata purezza che circondano il bersaglio.
L'esperimento ha misurato sia l'energia dei raggi gamma che i loro tempi di rilevamento rispetto all'impulso del fascio, consentendo al team di ricostruire la struttura del livello del nucleo di cesio-136 e di misurare la durata della vita degli stati eccitati coinvolti nell'emissione di raggi gamma . Due degli stati eccitati sono identificati come isomeri nucleari con durate di 95 e 157 nanosecondi.
Questi dati consentono ai ricercatori per la prima volta di modellare in modo affidabile l'emissione di raggi gamma indotti dalle cosiddette interazioni nucleari a "corrente carica" in grandi rilevatori di xeno. Ciò apre un nuovo canale per rilevare neutrini astrofisici e possibili candidati alla materia oscura.
Diversi importanti esperimenti attualmente in corso (tra cui LZ, XENONnT e KAMLAND-Zen) possono iniziare immediatamente a cercare questi eventi nei loro dati. Gli esperimenti di prossima generazione come nEXO o XLZD, che conterranno più xenon-136, potrebbero essere particolarmente sensibili ai componenti a bassa energia dello spettro dei neutrini solari come i neutrini del ciclo carbonio-azoto-ossigeno (CNO).>
Ulteriori informazioni: S. J. Haselschwardt et al, Observation of Low-Lying Isomeric States in Cs136:A New Avenue for Dark Matter and Solar Neutrino Detection in Xenon Detectors, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.052502
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
