Los detectores grandes y de bajo fondo que utilizan xenón como medio objetivo se utilizan ampliamente en física fundamental, particularmente en experimentos que buscan materia oscura o estudian desintegraciones raras de núcleos atómicos. En estos detectores, la interacción débil de una partícula neutra (como un neutrino) con un núcleo de xenón-136 puede transformarlo en un núcleo de cesio-136 en un estado excitado de alta energía.

Los rayos gamma emitidos cuando el cesio-136 se relaja de este estado excitado podrían permitir a los científicos separar señales raras de la radiactividad de fondo. Esto puede permitir nuevas mediciones de neutrinos solares y búsquedas más potentes de ciertos modelos de materia oscura. Sin embargo, la búsqueda de estos eventos ha sido difícil debido a la falta de datos nucleares confiables sobre el cesio-136. Los investigadores necesitan conocer las propiedades de los estados excitados del cesio-136, que nunca se han medido para este isótopo.

Esta investigación, que aparece en Physical Review Letters , proporciona una determinación directa de los datos relevantes midiendo la emisión de rayos gamma del cesio-136 producido en reacciones nucleares en un acelerador de partículas. Es importante destacar que esta investigación revela la existencia de los llamados "estados isoméricos":estados excitados que existen durante aproximadamente 100 ns antes de relajarse hasta el estado fundamental.

En los experimentos modernos de física de partículas, la emisión retardada de rayos gamma desde estos estados se mostrará como una señal separada y distinta de la reacción inicial. Esto crea una firma clara en los datos que permite a los investigadores rechazar el ruido de fondo e identificar sin ambigüedades estos tipos de interacciones raras.

Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, la Universidad de Carolina del Norte-Wilmington y la Universidad de Duke han realizado nuevas mediciones de los estados excitados en cesio-136 utilizando el acelerador en tándem del Laboratorio Nuclear de las Universidades Triangle ( TUNL).

Los investigadores crearon el cesio-136 excitado bombardeando un objetivo de gas xenón-136 con un haz pulsado de protones. Detectaron la emisión de rayos gamma resultante utilizando cuatro detectores de germanio de alta pureza que rodeaban el objetivo.

El experimento midió tanto la energía de los rayos gamma como sus tiempos de detección en relación con el pulso del haz, lo que permitió al equipo reconstruir la estructura de niveles del núcleo de cesio-136 y medir la vida útil de los estados excitados involucrados en la emisión de rayos gamma. . Dos de los estados excitados se identifican como isómeros nucleares con vidas útiles de 95 y 157 nanosegundos.

Estos datos permiten a los investigadores por primera vez modelar de forma fiable la emisión de rayos gamma inducida por las llamadas interacciones nucleares de "corriente cargada" en grandes detectores de xenón. Esto abre un nuevo canal para detectar neutrinos astrofísicos y posibles candidatos a materia oscura.

Varios experimentos importantes que se están ejecutando actualmente (incluidos LZ, XENONnT y KAMLAND-Zen) pueden comenzar inmediatamente a buscar estos eventos en sus datos. Los experimentos de próxima generación como nEXO o XLZD, que contendrán más xenón-136, pueden ser excepcionalmente sensibles a los componentes de baja energía del espectro de neutrinos solares, como los neutrinos del ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno (CNO).

Más información: S. J. Haselschwardt et al, Observación de estados isoméricos bajos en Cs136:una nueva vía para la detección de materia oscura y neutrinos solares en detectores de xenón, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.052502

Información de la revista: Cartas de revisión física

Proporcionado por el Departamento de Energía de EE. UU.