Investigadores del Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores (NSCL) de la Universidad Estatal de Michigan (MSU) y TRIUMF (el acelerador de partículas nacional de Canadá) han observado una rara desintegración nuclear. A saber, El equipo midió los protones de baja energía cinética emitidos después de la desintegración beta de un núcleo rico en neutrones, berilio-11. El equipo de investigación presentó sus resultados en un artículo publicado recientemente en Cartas de revisión física .

Un núcleo atómico con muchos más neutrones que protones es rico en neutrones e inestable. Se deshará del exceso de neutrones para estabilizarse a través del proceso de desintegración beta. La desintegración beta es común en los núcleos atómicos. En este proceso, el núcleo emite una partícula beta y transforma un neutrón en un protón, o un protón en un neutrón.

Menos común es la emisión de protones después de la desintegración beta de un núcleo rico en neutrones. Emisión de protones con retardo beta, observado hace más de 40 años, típicamente ocurre en núcleos ricos en protones. Para núcleos cargados de neutrones, desafía las leyes de la energía para emitir protones después de la desintegración beta, a menos que los neutrones estén débilmente unidos y esencialmente libres. Esta condición puede cumplirse en los denominados núcleos halo, donde uno o dos neutrones orbitan el núcleo restante a una distancia considerable.

"Hay pocos núcleos ricos en neutrones para los que puede producirse la elusiva emisión de protones después de la desintegración beta, "dijo Yassid Ayyad, físico de sistemas de detectores en NSCL, quien es parte del equipo de investigación que observó la rara descomposición. "El berilio-11 es el más prometedor. Se convierte en berilio-10 después de la desintegración beta a boro-11 y la posterior emisión de protones. La desintegración radiactiva exótica que observamos representa un nuevo desafío para la comprensión de los núcleos exóticos. en particular para los núcleos de halo ".

Según los experimentos en la instalación de Separador de masa de isótopos en línea (ISOLDE) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) y la instalación del Acelerador de Investigación Ambiental de Viena (VERA) en Viena, la probabilidad de emisión de protones con retardo beta en un núcleo rico en neutrones es inesperadamente alta. Los investigadores no observaron directamente protones provenientes de la desintegración del berilio-11. Esto ha llevado a especulaciones sobre una decadencia extremadamente exótica. En lugar de emitir un protón, el halo neutrón se transformaría en una partícula de materia oscura indetectable. La materia oscura es una sustancia hipotética invisible. Puede consistir en partículas exóticas que no interactúan con la materia normal o la luz, pero aún ejercen una atracción gravitacional.

Ayyad enfatizó la importancia de esta especulación. "Este escenario, si se confirma, representaría la primera observación indirecta de materia oscura, " él dijo.

El equipo de ISOLDE / VERA sugirió otro, menos exótico, explicación de la alta tasa de descomposición. Implica una resonancia estrecha en boro-11 cerca del umbral de energía donde se permite que el núcleo emita un protón. Este escenario recuerda el descubrimiento del estado de Hoyle, un estado excitado de carbono-12 que está muy cerca de la energía de separación de partículas alfa, el umbral de energía alrededor del cual el núcleo puede emitir una partícula alfa (helio-4). El astrónomo Fred Hoyle propuso por primera vez este estado en 1954 para explicar la producción de carbono en las estrellas.

"Uno de los resultados más interesantes de este trabajo es que la emisión de protones se produce a través de un estado de resonancia estrecha en el núcleo de boro-11, "Ayyad dijo, confirmando así el escenario "similar a Hoyle" que implica la resonancia de umbral.

El equipo utilizó la cámara de proyección de tiempo objetivo activo (AT-TPC) desarrollada en NSCL para realizar el experimento. Este detector lleno de gas tiene una probabilidad de detección muy grande y proporciona la energía de la partícula con gran exactitud y precisión. El detector ofrece una imagen tridimensional de las partículas cargadas emitidas en la desintegración del berilio-11, incluyendo información sobre su energía. La instalación del Acelerador y Separador de Isótopos TRIUMF entregó un haz de berilio-11. Los experimentadores implantaron el rayo en el medio del detector para capturar sus modos de desintegración. El berilio-11 se descompuso en berilio-10 y un protón, con una distribución de energía estrecha sólo el 0,0013 por ciento del tiempo. El berilio-10, junto con el protón de desintegración, Se cree que forma un núcleo de boro-11 con alta energía de excitación que existe durante un breve período de tiempo.

Esta investigación es de interés para estudios futuros. El AT-TPC y los intensos haces de isótopos raros proporcionados por la Instalación para haces de isótopos raros (FRIB) en MSU harán factible caracterizar esta nueva resonancia y encontrar otras, emisores de partículas más exóticas.