Radioaktivt sönderfallsavvikelse äntligen förklarad (kanske)

Redan 2007 gjorde fysiker vid GSI-acceleratorn för tunga joner i Darmstadt, Tyskland, en förbryllande upptäckt.

De här killarna mätte de radioaktiva sönderfallshastigheterna för praseodym- och prometiumkärnor som hade tagits bort från alla utom en eller två av deras elektroner, vilket lämnade dem med en laddning på över +50.

Under dessa förhållanden är det känt att kärnor sönderfaller på konstiga sätt. Blotta kärnor kan till exempel inte sönderfalla genom elektroninfångning. Detta tvingar dem att förfalla på andra, mindre vanliga sätt, vilket i hög grad förändrar deras förfallshastighet.

Mer allmänt har fysiker sedan en tid tillbaka vetat att förändringar i temperatur och tryck kan påverka sönderfallshastigheten med en procent eller så, förmodligen för att detta också ändrar elektrontätheten runt kärnor med en liten mängd.

Men vad GSI-killarna hittade var ännu konstigare. De upptäckte att den normala exponentiella sönderfallshastigheten för praseodym och prometium svängde med en period av cirka 7 sekunder. Det var som om en svängning hade lagts över den normala exponentiella avklingningskurvan.

Deras experiment är intressant eftersom det är unikt. Dessa killar producerar en handfull joner i en synkrotron och måttet var och en avklingar av förändringen den producerar i resonansen hos jonstrålen när den cirkulerar.

Detta ger ett exakt mått på livslängden för varje jon, snarare än ett genomsnittligt mått på halveringstiden för ett bulkmaterial, som alla andra experiment gör. Det är lätt att se att denna effekt skulle bli utsmetad och osynlig i den här typen av experiment

Så många fysiker tror att GSI-experimentet faktiskt mätte egenskaperna hos radioaktivt sönderfall i sin renaste form.

Den stora frågan är naturligtvis vad som orsakar GSI-avvikelsen, som det har blivit känt? De första förklaringarna fokuserade på möjligheten att neutrinoscillationer kunde förklara effekten.

Praseodym- och prometiumkärnor sönderfaller via den svaga kraften på två sätt. En proton kan fånga en elektron som producerar en neutron och en elektron-neutrino. Eller så kan protonen sönderfalla spontant till en neutron, en positron och en elektron-neutrino.

Tanken var att de neutriner som produceras i denna reaktion kan förändras till andra typer, och därigenom påverka sönderfallshastigheten med en liten mängd.

Olika fysiker påpekade dock att resultatet inte kan förklaras av neutrinoscillationer av den enkla anledningen att dessa kan inträffa först efter att neutrinon har producerats och när det är ett betydande avstånd från kärnorna.

Det har lämnat fysiker med en pinsam förlust. I avsaknad av någon rimlig förklaring har GSI-avvikelsen blivit en obehaglig klåda i kärnfysikens rumpa.

Idag har Francesco Giacosa på J.W. Goethe-universitetet i Frankfurt och Giuseppe Pagliara vid Universita di Ferrara i Italien ger en välkommen lättnad.

Dessa killar säger att GSI-avvikelsen kan förklaras om de två sönderfallsmekanismerna praseodym- och prometiumkärnor fungerar med lite olika energier. Nedbrytningshastigheten för varje mekanism ensam skulle vara en standardexponentiell kurva, om än med något olika hastigheter.

Men här är nyckeln. När båda mekanismerna uppträder tillsammans, svänger systemet mellan dem. Så de periodiska variationerna som observeras vid GSI är helt enkelt effekten av att systemet hoppar från en sönderfallsmekanism till en annan. Giacosa och Pagliara liknar detta med de välkända Rabi-svängningarna som förekommer i många kvantsystem.

Det som är mest spännande är att denna teori leder till en intressant förutsägelse. Giacosa och Pagliara säger att om GSI-teamet kan mäta sönderfallshastigheten med intervaller mycket kortare än 7 sekunder, bör sönderfallshastigheten snabbt sjunka till noll. Om experimentet på GSI kunde mäta några punkter under 10 s skulle vår tolkning lätt kunna förkastas eller godkännas, säger de.

Dessa idéer har bredare implikationer. Giacosa och Pagliara säger att denna effekt kan förklara andra konstiga periodiska variationer i sönderfallshastigheter som fysiker har observerat över mycket längre tidsskalor. Vi har tittat på några av dessa här .

Dessutom är variationerna helt klart grundläggande effekter i kvantmekaniken som kan ha djupgående konsekvenser för vår förståelse av de kärnprocesser som går inuti stjärnorna.

Och allt detta betyder att det finns roligare att göra med GSI-avvikelsen, oavsett om denna förklaring visar sig vara sann eller inte.

Ref: arxiv.org/abs/1110.1669 : Oscillations In The Decay Law: En möjlig kvantmekanisk förklaring av GSI-anomali?

Dölj