Нейтринный детектор сможет измерить период полураспада изомера в десять квинтиллионов лет

Физики из коллаборации MAJORANA поделились предварительными результатами измерения периода полураспада изомера тантала-180m — последнего изомера, чей распад не был зафиксирован экспериментально. Ранее их детектор DEMONSTRATOR помог ограничить возможные параметры майорановских нейтрино. Собирая данные в течение 229 дней, ученые убедились, что точности детектора будет достаточно, чтобы точно определить период полураспада, если он не превышает 10¹⁹ лет. Об этом коллаборация сообщила в пресс-релизе.

Нуклоны связаны в ядре вокруг общего центра масс. Этим они похожи на электроны в атоме. И подобно электронам, нуклоны также могут переходить в долгоживущие (метастабильные) возбужденное состояние. В этом случае физики говорят о ядерных изомерах.

Стабильность изомерных ядерных состояний обуславливают правила запрета по спину и четности. В ряде случаев изомер может существовать гораздо дольше, чем основное состояние ядра. Наиболее яркий пример — это изотоп тантала-180. Его период полураспада из основного состояния равен около восьми часов, в то время как изомер тантал-180m еще ни разу не распадался в лаборатории. Строго говоря, это единственное ядро, не считая протона, распад которого физики никогда не видели. В текущий момент период полураспада ¹⁸⁰Ta^m оценивается в 10¹⁷ – 10¹⁸ лет.

Малость константы распада этого процесса определяет высокие требования к шумоизоляции эксперимента, умеющего фиксировать распады ядер. Оказалось, что для этой задачи хорошо подходит детектор DEMONSTRATOR от коллаборации MAJORANA. Он расположен в Сэнфордском подземном исследовательском центре на глубине 1500 метров и предназначен для исследования майорановских нейтрино по безнейтринному бета-распаду ядер — совсем недавно мы рассказывали об итогах этого эксперимента. После этого физики из MAJORANA переключились на измерение периода полураспада тантала-180m. По результатам предварительного сбора данных, длившегося 229 дней, ученые сделали вывод о том, что детектор сможет точно измерить эту величину, если она не будет превышать 10¹⁹ лет.

DEMONSTRATOR состоит из 23 германиевых детекторов, окружающих 17,4 килограмма тантала. По оценкам физиков среди такой массы около двух граммов приходится на ¹⁸⁰Ta^m. Помимо толщи земли детектор защищен пассивными экранами и активными радоновыми компенсаторами, исключающими вклад от космических мюонов.

Помимо очень долгих периодов полураспада, физики стараются изучить очень короткие. Мы уже рассказывали, как ученые измерили самый быстрый альфа-распад ядер теллура-104.