Promieniotwórczość dwuprotonowa

Zenon Janas, Marek Pfützner, Marek Karny, Krzysztof Miernik

Promieniotwórczość dwuprotonowa to przemiana, w której jądro atomowe rozpada się emitując równocześnie dwa protony.

Rozpad dwuprotonowy jest możliwy jedynie dla jąder o skrajnym niedoborze neutronów, bardzo odległych od ścieżki trwałości. Po raz pierwszy został on zaobserwowany w 2001 roku przez M. Pfütznera i współpracowników dla jądra ⁴⁵Fe. Innym jądrem, dla którego zaobserwowano rozpad 2p jest izotop ⁵⁴Zn. Emiterem 2p jest prawdopodobnie ⁴⁸Ni. Poniższy rysunek pokazuje położenie tych izotopów na mapie nuklidów.

Emitery 2p były wytwarzane w zderzeniach relatywistycznej wiązki ⁵⁸Ni z tarczą ^natNi. Jądra ⁴⁵Fe powstawały wskutek usunięcia z jąder wiązki pierwotnej 2 protonów i 11 neutronów natomiast produkcja jąder ⁵⁴Zn wymagała wychwycenia przez pociski 2 protonów i utraty 6 neutronów.

Prawdopodobieństwa zajścia tych reakcji są niezwykle małe i aby możliwe były badania rozpadów ⁴⁵Fe i ⁵⁴Zn konieczne było zastosowanie separatora oddzielającego interesujące jądra od jąder wiązki pierwotnej i innych produktów reakcji. Pomiar czasu przelotu (TOF) oraz strat energii (ΔE) wybranych jonów umożliwił określenie liczby masowej i atomowej każdego z nich.

W pierwszych eksperymentach, w których badano rozpady ⁴⁵Fe i ⁵⁴Zn udało się określić całkowita energię wydzielaną w przemianie 2p (1.26 MeV dla ⁴⁵Fe i 1.48 MeV dla ⁵⁴Zn) oraz określić czas życia tych izotopów ( 2.6 ms dla ⁴⁵Fe i 3 ms dla ⁵⁴Zn).

Kluczowe znaczenie dla zrozumienia mechanizmu emisji 2p ma jednak pomiar korelacji pomiędzy emitowanymi protonami. Obserwację tej zależności umożliwił detektor OTPC zbudowany we współpracy Zakładu Spektroskopii Jądrowej oraz Zakładu Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych IFD UW. Detektor ten umożliwia trójwymiarową rekonstrukcję torów emitowanych cząstek oraz pomiar ich energii. Poniższy rysunek przedstawia zarejestrowany przez kamerę CCD detektora OTPC obraz zdarzenia, w którym jądro ^45Fe rozpada się emitując jednocześnie dwa protony - każdy z nich o energii około 0.6 MeV.

Poniższy rysunek przedstawia wyniki analizy 75 przypadków duwprotonowego rozpadu ⁴⁵Fe, zaobserwowanych w 9 dniowym eksperymencie przeprowadzonym w lutym 2007 roku w National Cyclotron Laboratory, MSU w East Lansing (USA).

Porównanie eksperymentu i modelu 3-ciałowego

W eksperymencie tym po raz pierwszy udało się określić rozkład kąta pomiędzy emitowanymi protonami oraz podział energii między nimi. Wyznaczone rozkłady bardzo dobrze zgadzają się z przewidywaniami modelu uwzględniającego trójciałowy charakter rozpadu 2p (liniami pokazano obliczenia wykonane przy założeniu różnej struktury rozpadającego się jądra).

Rozpad dwuprotonowym nie jest jedynym sposobem promieniotwórczej przemiany ⁴⁵Fe. Jak pokazuje poniższy schemat, możliwy jest również rozpad tego izotopu. na drodze przemiany β⁺. Procesowi temu może towarzyszyć emisja 1, 2, 3 a nawet 4 tzw. protonów opóźnionych.

Przy pomocy detektora OTPC udało się zaobserwować rozpad β⁺ ⁴⁵Fe z emisją 1, 2 oraz 3 protonów opóźnionych. Rejestracja rozpadu beta z emisją trzech protonów jest pierwszym w historii przypadkiem obserwacji tego typu procesu.

Instytut Fizyki Doświadczalnej UW

Promieniotwórczość dwuprotonowa