Detectores grandes e de fundo baixo que usam xenônio como meio alvo são amplamente utilizados na física fundamental, particularmente em experimentos em busca de matéria escura ou no estudo de decaimentos raros de núcleos atômicos. Nestes detectores, a fraca interação de uma partícula neutra – como um neutrino – com um núcleo de xénon-136 pode transformá-lo num núcleo de césio-136 num estado excitado de alta energia.



Os raios gama emitidos à medida que o césio-136 relaxa deste estado excitado poderiam permitir aos cientistas separar sinais raros da radioatividade de fundo. Isto pode permitir novas medições de neutrinos solares e pesquisas mais poderosas de certos modelos de matéria escura. No entanto, a procura destes eventos tem sido difícil devido à falta de dados nucleares fiáveis ​​para o césio-136. Os investigadores precisam de conhecer as propriedades dos estados excitados do césio-136, que nunca foram medidas para este isótopo.

Esta pesquisa, publicada em Physical Review Letters , fornece determinação direta dos dados relevantes medindo a emissão de raios gama do césio-136 produzido em reações nucleares em um acelerador de partículas. É importante ressaltar que esta pesquisa revela a existência dos chamados “estados isoméricos” – estados excitados que existem por aproximadamente 100 ns antes de relaxarem até o estado fundamental.

Nas experiências modernas de física de partículas, a emissão retardada de raios gama a partir destes estados aparecerá como um sinal separado e distinto da reação inicial. Isso cria uma assinatura clara nos dados que permite aos pesquisadores rejeitar o ruído de fundo e identificar inequivocamente esses tipos de interações raras.

Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC, da Universidade da Carolina do Norte - Wilmington e da Universidade Duke realizou novas medições dos estados excitados no césio-136 usando o acelerador tandem do Laboratório Nuclear das Universidades Triangle ( TUN).

Os pesquisadores criaram o césio-136 excitado bombardeando um alvo de gás xenônio-136 com um feixe pulsado de prótons. Eles detectaram a emissão de raios gama resultante usando quatro detectores de germânio de alta pureza ao redor do alvo.

O experimento mediu a energia dos raios gama e seus tempos de detecção em relação ao pulso do feixe, permitindo à equipe reconstruir a estrutura de nível do núcleo de césio-136 e medir o tempo de vida dos estados excitados envolvidos na emissão de raios gama. . Dois dos estados excitados são identificados como isômeros nucleares com tempos de vida de 95 e 157 nanossegundos.

Esses dados permitem aos pesquisadores, pela primeira vez, modelar de forma confiável a emissão de raios gama induzidos pelas chamadas interações nucleares de "corrente carregada" em grandes detectores de xenônio. Isto abre um novo canal para a detecção de neutrinos astrofísicos e possíveis candidatos à matéria escura.

Vários experimentos importantes em execução atualmente (incluindo LZ, XENONnT e KAMLAND-Zen) podem começar imediatamente a procurar esses eventos em seus dados. Experimentos de próxima geração, como nEXO ou XLZD, que conterão mais xenônio-136, podem ser exclusivamente sensíveis aos componentes de baixa energia do espectro de neutrinos solares, como os neutrinos do ciclo carbono-nitrogênio-oxigênio (CNO).

Mais informações: SJ Haselschwardt et al, Observação de estados isoméricos baixos em Cs136:um novo caminho para a detecção de matéria escura e neutrinos solares em detectores de xenônio, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.052502
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