Calibración por desintegración: cómo el silicio-25 revela la precisión de FRIB
Contexto
El estudio de la emisión beta-retardada de partículas cargadas en núcleos con exceso de protones proporciona acceso directo a la distribución de la fuerza de Gamow-Teller, la violación de la simetría de isospín y las propiedades de estados no ligados altamente excitados. Sin embargo, las mediciones precisas de tales desintegraciones se han visto limitadas durante mucho tiempo por restricciones experimentales: impurezas en el haz, sumación de energía de las partículas beta y degradación de la resolución debido a blancos de frenado gruesos. La nueva combinación del separador ARIS y el frenador de gas criogénico ACGS en FRIB resuelve estos problemas, proporcionando haces de iones radiactivos limpios y de baja energía. El trabajo se enmarca en la investigación de ráfagas rápidas de radio y estrellas de neutrones, donde la espectroscopía nuclear precisa es necesaria para comprender los procesos en condiciones extremas.
Métodos
Un haz de argón-36 se aceleró hasta 210 MeV/nucleón y se dirigió a un blanco de carbono. Los núcleos de silicio-25 producidos se separaron en el separador ARIS, se frenaron en el frenador de gas ACGS y se implantaron en una lámina delgada de carbono de 150 nanómetros de espesor. Alrededor de la lámina se colocaron seis telescopios de silicio (un detector ΔE delgado y un detector E grueso) y dos detectores de germanio. En cuatro horas se acumularon 780 mil protones. La energía de los protones se reconstruyó teniendo en cuenta las pérdidas en la lámina y las capas muertas de los detectores, utilizando las tablas SRIM. La calibración se realizó con las líneas protónicas conocidas de la desintegración del silicio-25.
Resultados
Se obtuvo un espectro de protones beta-retardados con una resolución de aproximadamente 3 keV, lo que permitió resolver transiciones que antes eran indistinguibles. Se descubrieron nuevas transiciones protónicas de alta energía, incluido un nivel con energía de excitación de 9008 keV en el aluminio-25. Se refinaron las poblaciones de los estados excitados del magnesio-24: las transiciones al primer estado excitado 2+ son más frecuentes que al estado fundamental 0+. Los patrones de interferencia de las líneas protónicas proporcionaron espines y paridades fiables para los estados altamente excitados del aluminio-25. Se extrajo la distribución de fuerza beta hasta una energía de 10 MeV, cerca del límite del valor Q de la captura electrónica. La fuerza de Gamow-Teller experimental requiere un factor de supresión de 0.75, que es menor que el estándar de 0.60.
Implicaciones
El trabajo demuestra que el haz detenido en FRIB permite alcanzar una resolución y sensibilidad inalcanzables anteriormente para la espectroscopía beta-retardada en esta región de masas. A diferencia de trabajos vecinos que estudian ráfagas rápidas de radio o dispersión de estrellas de neutrones, aquí se prueba por primera vez la técnica de espectroscopía de precisión de partículas cargadas utilizando un frenador de gas criogénico. Esto abre el camino para estudiar núcleos en el límite de estabilidad protónica, como los candidatos a halo protónico aluminio-22 y fósforo-26.
Desarrollo futuro
Con el aumento de la intensidad del haz de FRIB y la mejora del transporte de iones, será posible calibrar los detectores E gruesos con protones de mayor estadística, lo que mejorará la precisión. La técnica puede extenderse a núcleos más exóticos, incluidos aquellos donde se espera emisión directa de dos protones. Se planea un análisis detallado de la forma de las líneas para extraer la contribución de la fuerza de Gamow-Teller en la resonancia análoga isobárica.
Impacto
La técnica es aplicable para calibrar detectores y estudiar la estructura nuclear en experimentos con haces detenidos de iones radiactivos. Los resultados sobre la fuerza beta son importantes para la astrofísica, especialmente para calcular las velocidades de reacción en las estrellas.
Próximos pasos
Realizar mediciones de protones beta-retardados para aluminio-22 y fósforo-26 utilizando la misma instalación. Acumular más estadística para analizar la parte de alta energía del espectro y verificar los efectos de interferencia.
Problemas abiertos clave
El trabajo está directamente relacionado con el problema de la supresión de la fuerza de Gamow-Teller en núcleos con exceso de protones. El factor de supresión observado de 0.75 en lugar del estándar de 0.60 indica una posible dependencia de la supresión con la distancia a la línea de estabilidad, lo que requiere más investigaciones.
El silicio-25, utilizado como fuente de calibración, tiene un período de semidesintegración de solo 219 milisegundos, pero en cuatro horas de mediciones se lograron acumular 780 mil protones gracias a la alta intensidad del haz.
Cifras clave
- Período de semidesintegración del silicio-25: 219.2 ms
- Número de protones registrados: 7.8×105
- Resolución energética: alrededor de 3 keV
- Espesor de la lámina de carbono: 150 nm
- Factor de supresión de la fuerza de Gamow-Teller: 0.75