Физики зарегистрировали распад ядра механически

Физики из США смогли зарегистрировать одиночный альфа-распад ядра за счет механической отдачи источника. Для этого они измеряли отклонение от равновесного положения левитирующей в лазерном луче сферы с нанесенным на нее альфа-источником. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Точная регистрация ядерных распадов важна в различных областях физики, инженерии и медицины. Обычно для этих целей используют детекторы, измеряющие энергию выделившуюся при распаде в виде сцинтилляции, ионизации или тепла. Однако эти техники не позволяют учесть энергию частиц, избежавших взаимодействия с веществом внутри детектора. Хорошим примером может служить бета-распад, при котором нейтрино уносит часть энергии распада и при этом настолько слабо взаимодействует с веществом, что в большинстве случаев не регистрируется внутри детекторов.

Альтернативным методом может стать регистрация импульса непосредственно источника, в котором произошел распад. Для источника, находящегося изначально в состоянии покоя, закон сохранения импульса гарантирует, что его приобретенный импульс после распада будет равен и противоположен по направлению сумме импульсов всех вылетевших частиц. Однако импульс отдачи источника обычно крайне мал и до сих пор такой метод еще не удавалось применить.

Физикам под руководством Дэвида Мура (David C. Moore) из Йельского университета удалось зарегистрировать механическое отклонение левитирующих в лазерном луче сфер от равновесного положения в ходе распада импланитрованных в них ядер свинца-212 (²¹²Pb). Для этого ученые использовали кремниевые сферы радиусом приблизительно 1,5 микрометра, захваченные в оптическую ловушку в высоком вакууме, порядка 10^-10 атмосфер. Предварительно на поверхность сферы имплантировали свинец-212 в радоновой камере. Радон распадался с испусканием альфа-частицы до положительно заряженного иона полония ²¹⁶Po⁺. Ионы полония под действием электрического поля осаждались на поверхность сфер и быстро распадались до свинца-212, который оказывался имплантирован на поверхности сфер на глубине не более 60 нанометров.

Ученые контролировали изменение заряда сфер, находящихся в оптической ловушке, а также их отклонения от центрального положения. При каждом распаде источника общий заряд сфер изменялся, что позволяло дополнительно проверить, вызвано ли механическое отклонение сфер именно распадом или какими-то другими факторами.

В результате физикам удалось зарегистрировать механические отклонения сфер, связанные с единичным альфа-распадом свинца-212. Отношение сигнала к шуму составило при этом около 10. Ученые отмечают, что переход к сферам массы несколько фемтограмм позволит увеличить этот показатель до 100 и более.

По словам ученых, хотя в этой работе регистрировались механические отклонения сфер на распады заряженных альфа-частиц, в перспективе аналогичный метод можно будет использовать и для нейтральных частиц, избегающих регистрации в обычных детекторах.

Ученые работают над повышением точности и чувствительности методов регистрации частиц в различных детекторах. И это позволяет им изучать ранее недоступные явления. Например, буквально вчера мы писали, что ученым удалось впервые зарегистрировать упругое когерентное рассеяние нейтрино от солнечных нейтрино.