Kan mörk materia påverka atomkärnors betasönderfall?

En internationell forskargrupp har vid experiment utförda vid ISOLDE-anläggningen vid CERN, Geneve, Schweiz, upptäckt en ovanlig typ av radioaktivt sönderfall: β⁻ fördröjd proton emission. Sönderfallet kunde observeras i den exotiska nukliden ¹¹Be, en isotop av grundämnet beryllium (Z=4) med en halveringstid av 13.8 s. Isotopen ¹¹Be har endast två neutroner mer än den stabila berylliumisotopen ⁹Be, men visar trots detta upp en rad intressanta egenskaper. Den sist bundna neutronen är mycket löst kopplad till kärnan och dess separationsenergi endast 504 keV, medan det typiskt behövs 8 – 9 MeV för separera en neutron från en stabil atomkärna. Detta speciella förhållande ger upphov till en ovanlig kärnstruktur, som upptäcktes för ca 30 år sedan, och som kallas ”halostruktur”. Detta innebär att den sist bundna neutronen inte ansluter sig direkt till kärnan, som i normala atomkärnor, utan bildar en slags diffus fördelning av neutronmateria runt den centrala delen av kärnan. Se Figur 1.

Figur 1. Isotopen ¹¹Be (till höger) är en halokärna med endast en neutron i halon. Betasönderfallet går till grundtillståndet och exciterade tillstånd i dotterkärnan ¹¹B, som är en stabil isotop. Med en separationsenergi för haloneutronen av endast 504 keV finns det möjlighet att nå exciterade tillstånd där den bildade protonen är obunden och kan emitteras direkt efter betasönderfaller, en process som kallas β⁻ fördröjd protonemission. Vid ett sådant sönderfall blir slutprodukten den mycket långlivade atomkärnan ¹⁰Be. Genom att identifiera ett relativt fåtal berylliumkärnor med massa 10 bland bohrisotoperna med massa 11 kunde man bevisa förekomsten av den exotiska sönderfallsprocessen.

Experimenten vid CERN gick ut på att försöka identifiera följande sönderfall

$^{11}Be \rightarrow e^{-} + \overline{\nu}_{e} + ^{11}B^{*}$

där:

$^{11}B^{*} \rightarrow p + ^{10}Be$

dvs betasönderfallet lämnar dotterkärnan ¹¹B i så högt exciterade tillstånd att den kan sönderfalla genom emission av en proton. Q-värdet, i keV, för ett sådant sönderfall är

$Q_{βp} = 782 - S_{n}$

där S_n är neutronens separationsenergi och konstanten motsvarar masskillnaden mellan en neutron och en proton minus elektronmassan. Detta samband gäller generellt för processen β⁻ fördröjd protonemission och för isotopen ¹¹Be är den tillgängliga energin
Q_β−p = 278 keV. Teoretiska överslagsberäkningar förutsäger en grenkvot i området 10⁻⁷ till 10⁻⁸ för sönderfallet. Detta tillsammans med den den låga protonenergin gör ett konventionellt experiment med kiseldektorer mycket svårt på grund av den stora bakgrunden av elektroner från betasönderfallet.

Man valde därför istället en indirekt metod för att identifiera sönderfallsgrenen. Man placerade en folie i en ¹¹Be stråle från ISOLDE och samlade upp en stor mängd kärnor som betasönderfaller och lämnar den stabila dotterkärnan ¹¹B kvar i folien. Om sönderfallet sker med β⁻ -fördröjd protoemission kommer den istället att lämna efter sig en ¹⁰Be kärna som är radioaktiv men mycket långlivad (T_{1/2}=1.6×10⁶ y) (Figur 1). Slutprodukten blir allts ̊a ett ¹¹B preparat med ett okänt, litet inslag av ¹⁰Be kärnor. Antalet uppsamlade joner bestämdes med stor noggrannhet genom att följa kända gammaövergångar i ¹¹B och totala antalet uppsamlade kärnor blev omkring 10¹².

För att undersöka den eventuella förekomsten av ¹⁰Be i preparatet analyserades det med Accelerator Mass Spektrometri (AMS) vid en anläggning för spårämnesanalys i Wien, VERA¹. Förekomsten av ¹⁰Be i preparatet kunde direkt bekräftas, men resultatet var helt oväntat! Man fann omkring 10⁷ kärnor vilket en grenkvot som är 8.3×10⁻⁶, alltså långt mer än förväntat! En möjlig tolkning av detta resultat vore att sönderfallsprocessen påverkas av halostrukturen hos ¹¹Be så att sönderfallet kan beskrivas som ett direkt sönderfall av den mycket löst bundna haloneutronen. Sönderfallet skulle då närmast kunna jämföras med betasönderfallet hos en fri neutron:

$n \rightarrow p + e^{−} + \overline{v}_{e}$

Den vetenskapliga artikeln om detta experiment fick därför titeln ”¹¹Be(βp), a quasi-free neutron decay”.

Intressant är att just den fria neutronens sönderfall diskuteras på grund av att de två metoder som används för att bestämma linslängden hos neutronen ger olika resultat. Den ena metoden går ut på att man innesluter ett bestämt antal neutroner i en slags flaska och lagrar dem där under en tidsperiod som ligger tätt på neutronens livslängd. De kvarvarande neutronerna ger livslängden via sambandet $N(t) = exp(−t/\tau)$ med resultatet $\tau^{F}_{n} =879.6(2.0)s$ . I den andra metoden låter en neutrostråle med mycket låg hastighet passera ett kärl. Om neutronen sönderfaller vid passagen av kärlet kommer den proton som bildats att stanna kvar i kärlet och man kan genom att bestämma mängden väte i kärlet efter en bestämnd tid bestämma livslängden. Resultatet av mätningen ger $\tau^{S}_{n} = 888.0(2.0) s$ . Skillnaden mellan de två metoderna är att metoden med betasönderfall i stråle endast bestämmer den partiella halveringstiden för betasönderfallet medan metoden med inneslutna neutroner mäter hur många neutroner som totalt försvinner. Skillnaden skulle kunna bero på att det finns ytterligare någon möjlighet för neutronen att sönderfalla med ca. 1 % sannolikhet. En teoretisk möjlighet skulle kunna vara att neutronen sönderfaller till en mörk materia partikel, så som illustreras i Figur 2.

Figur 2. Överst: Neutronens betasönderfall, som kan beskrivas som en d kvark emitterande en vektorboson W⁻, som i sin tur sönderfaller till elektron och en antineutrino. Nederst: Hypotetiskt sönderfall av neutronen via en skalär partikel, Φ och en mörk fermion χ.

Om vi nu återvänder till ¹¹Be experimentet har det också påpekats att ett eventuellt sönderfall via en okänd partikel också är energetiskt möjlig med en massa, i MeV, för den hypotetiska partikeln, m_X, inom området

$937.993 \le m_{X} \le m_{n} - S_{n}$

Hur skulle ett sådant sönderfall kunna detekteras? Till att börja med vore det intressant att kontrollera om sönderfallet av ¹¹Be ger en liknande avvikelse som den man sett för neutronens livslängd. För beta-sönderfallet av ¹¹Be skulle en avvikelse i livslängden hos neutronen resultera i olika resultat för totala grenkvoten, som uppmätts vid experimentet med AMS tekniken vid VERA, och ett detektorexperiment där man enbart mäter spektrum av emitterade β⁻ fördröjda protoner. Ett experiment med direkt mätning av protonerna har faktiskt nyligen genomförts i CERN, med en mycket känslig tidsprojektionskammare (TPC). Detta är en teknik där det går detektera protoner ner till mycket låga energier genom att studera spår av dem i en gaskammare. I skrivande stund är data under analys och det skall bli intressant att se om experimentet bekräftar resultatet för neutronens sönderfall. Om så är fallet gäller det att hitta experimentella metoder för att ta reda på vad som är orsaken till avvikelsen i livslängd och grenkvot.Björn Jonson, Chalmers
Styrelseledamot