Représentation d'artiste de l'émission de protons à retard bêta du béryllium-11 mesurée avec la chambre de projection temporelle cible active. La piste de protons est indiquée. Crédit :Laboratoire national du cyclotron supraconducteur
Des chercheurs du National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) de la Michigan State University (MSU) et de TRIUMF (l'accélérateur national de particules du Canada) ont observé une rare désintégration nucléaire. À savoir, l'équipe a mesuré des protons de faible énergie cinétique émis après la désintégration bêta d'un noyau riche en neutrons, le béryllium-11. L'équipe de recherche a présenté ses résultats dans un article récemment publié dans Lettres d'examen physique .
Un noyau atomique avec beaucoup plus de neutrons que de protons est riche en neutrons et instable. Il éliminera les neutrons en excès pour devenir stable grâce au processus de désintégration bêta. La désintégration bêta est courante dans les noyaux atomiques. Dans ce processus, le noyau émet une particule bêta et transforme un neutron en proton, ou un proton en neutron.
L'émission de protons à la suite de la désintégration bêta d'un noyau riche en neutrons est moins courante. Émission de protons bêta retardée, observé il y a plus de 40 ans, se produit généralement dans les noyaux riches en protons. Pour les noyaux chargés de neutrons, il défie les lois de l'énergie d'émettre des protons après la désintégration bêta à moins que les neutrons ne soient faiblement liés et essentiellement libres. Cette condition peut être remplie dans les noyaux dits de halo, où un ou deux neutrons orbitent autour du noyau restant à une distance considérable.
"Il y a peu de noyaux riches en neutrons pour lesquels l'émission insaisissable de protons après la désintégration bêta peut se produire, " dit Yassid Ayyad, physicien des systèmes de détection au NSCL, qui fait partie de l'équipe de recherche qui a observé la carie rare. "Le béryllium-11 est le plus prometteur. Il devient du béryllium-10 après la désintégration bêta en bore-11 et l'émission de protons qui s'ensuit. La désintégration radioactive exotique que nous avons observée représente un nouveau défi pour la compréhension des noyaux exotiques, en particulier pour les noyaux de halo."
D'après les expériences menées à l'installation Isotope mass Separator On-Line (ISOLDE) de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) et à l'installation de l'accélérateur de recherche environnementale de Vienne (VERA) à Vienne, la probabilité de l'émission de protons à retard bêta dans un noyau riche en neutrons est étonnamment élevée. Les chercheurs n'ont pas observé directement les protons provenant de la désintégration du béryllium-11. Cela a conduit à des spéculations impliquant une décomposition extrêmement exotique. Au lieu d'émettre un proton, le neutron du halo serait transformé en une particule de matière noire indétectable. La matière noire est une substance hypothétique invisible. Il peut s'agir de particules exotiques qui n'interagissent pas avec la matière ou la lumière normales mais exercent néanmoins une attraction gravitationnelle.
Ayyad a souligné l'importance de cette spéculation. « Ce scénario, si confirmé, représenterait la première observation indirecte de la matière noire, " il a dit.
L'équipe ISOLDE/VERA en a proposé un autre, moins exotique, explication du taux de décroissance élevé. Il implique une résonance étroite dans le bore-11 proche du seuil d'énergie où le noyau est autorisé à émettre un proton. Ce scénario rappelle la découverte de l'état de Hoyle, un état excité du carbone 12 très proche de l'énergie de séparation des particules alpha, le seuil d'énergie autour duquel le noyau peut émettre une particule alpha (hélium-4). L'astronome Fred Hoyle a proposé cet état pour la première fois en 1954 pour expliquer la production de carbone dans les étoiles.
Yassid Ayyad, physicien des systèmes de détection au National Superconducting Cyclotron Laboratory de la Michigan State University, fait partie de l'équipe de recherche qui a observé une désintégration rare dans le noyau exotique du béryllium-11. Ici, il tient le plan du coussin du détecteur de chambre à projection temporelle cible active qui a été utilisé dans l'expérience. Crédit :Laboratoire national du cyclotron supraconducteur
"L'un des résultats les plus passionnants de ce travail est que l'émission de protons se déroule dans un environnement hautement excité, état de résonance étroit dans le noyau de bore-11, " Ayyad dit, confirmant ainsi le scénario "Hoyle-like" impliquant la résonance seuil.
L'équipe a utilisé la chambre de projection temporelle cible active (AT-TPC) développée au NSCL pour réaliser l'expérience. Ce détecteur rempli de gaz a une très grande probabilité de détection et fournit l'énergie de la particule avec une précision et une précision élevées. Le détecteur délivre une image tridimensionnelle des particules chargées émises dans la désintégration du béryllium-11, y compris des informations sur leur énergie. L'installation de séparation et d'accélération d'isotopes TRIUMF a livré un faisceau de béryllium-11. Les expérimentateurs ont implanté le faisceau au milieu du détecteur pour capturer ses modes de désintégration. Le béryllium-11 s'est désintégré en béryllium-10 et un proton, avec une distribution d'énergie étroite seulement 0,0013 pour cent du temps. Le béryllium-10, avec le proton de désintégration, est pensé pour former un noyau de bore-11 avec une énergie d'excitation élevée qui existe pendant une brève période de temps.
Cette recherche présente un intérêt pour de futures études. L'AT-TPC et les faisceaux intenses d'isotopes rares fournis par la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) de MSU permettront de caractériser cette nouvelle résonance et d'en trouver d'autres, émetteurs de particules plus exotiques.
