Anomalie des radioaktiven Zerfalls endlich erklärt (vielleicht)

Bereits 2007 machten Physiker am Schwerionenbeschleuniger GSI in Darmstadt eine rätselhafte Entdeckung.

Diese Jungs maßen die radioaktiven Zerfallsraten von Praseodym- und Promethium-Kernen, denen bis auf ein oder zwei alle Elektronen entzogen worden waren, sodass sie eine Ladung von über +50 hatten.

Unter diesen Bedingungen zerfallen Kerne bekanntermaßen auf seltsame Weise. Nackte Kerne können beispielsweise nicht durch Elektroneneinfang zerfallen. Dies zwingt sie dazu, auf andere, weniger übliche Weise zu zerfallen, was ihre Zerfallsrate stark verändert.



Allgemeiner gesagt, Physiker wissen seit einiger Zeit, dass Temperatur- und Druckänderungen die Zerfallsrate um etwa ein Prozent beeinflussen können, wahrscheinlich weil dies auch die Elektronendichte um Kerne herum geringfügig ändert.

Aber was die GSI-Leute fanden, war noch seltsamer. Sie fanden heraus, dass die normale exponentielle Zerfallsrate von Praseodym und Promethium mit einer Periode von etwa 7 Sekunden oszilliert. Es war, als ob der normalen exponentiellen Abklingkurve eine Schwingung überlagert wäre.

Ihr Experiment ist interessant, weil es einzigartig ist. Diese Jungs produzieren eine Handvoll Ionen in einem Synchrotron und messen den Zerfall jedes einzelnen an der Änderung, die es in der Resonanz des Ionenstrahls erzeugt, wenn er zirkuliert.

Dies liefert eine genaue Messung der Lebensdauer jedes Ions, anstatt eine durchschnittliche Messung der Halbwertszeit eines Schüttguts, wie es bei allen anderen Experimenten der Fall ist. Es ist leicht zu erkennen, dass dieser Effekt bei solchen Experimenten verwischt und unsichtbar wäre

So viele Physiker glauben, dass das GSI-Experiment tatsächlich die Eigenschaften des radioaktiven Zerfalls in seiner reinsten Form gemessen hat.

Die große Frage ist natürlich, was die bekannt gewordene GSI-Anomalie verursacht. Die ersten Erklärungen konzentrierten sich auf die Möglichkeit, dass Neutrino-Oszillationen für den Effekt verantwortlich sein könnten.

Praseodym- und Promethiumkerne zerfallen über die schwache Kraft auf zwei Arten. Ein Proton kann ein Elektron einfangen und ein Neutron und ein Elektron-Neutrino erzeugen. Oder das Proton kann spontan in ein Neutron, ein Positron und ein Elektron-Neutrino zerfallen.

Der Gedanke war, dass die bei dieser Reaktion produzierten Neutrinos in andere Typen übergehen könnten, wodurch die Zerfallsgeschwindigkeit in geringem Maße beeinflusst wird.

Verschiedene Physiker wiesen jedoch darauf hin, dass das Ergebnis nicht durch Neutrino-Oszillationen erklärt werden kann, weil diese erst nach der Neutrino-Produktion und in einer signifikanten Entfernung von den Kernen auftreten können.

Das ist für Physiker ein peinlicher Verlust. In Ermangelung einer vernünftigen Erklärung ist die GSI-Anomalie zu einem unangenehmen Juckreiz für die Kernphysik geworden.

Francesco Giacosa von J.W. Die Goethe-Universität Frankfurt und Giuseppe Pagliara von der Universita di Ferrara in Italien sorgen für willkommene Abwechslung.

Diese Jungs sagen, dass die GSI-Anomalie erklärt werden kann, wenn die beiden Zerfallsmechanismen von Praseodym- und Promethium-Kernen bei leicht unterschiedlichen Energien arbeiten. Die Zerfallsrate jedes Mechanismus allein wäre eine exponentielle Standardkurve, wenn auch mit leicht unterschiedlichen Raten.

Aber hier ist der Schlüssel. Wenn beide Mechanismen zusammen auftreten, oszilliert das System zwischen ihnen. Die bei GSI beobachteten periodischen Variationen sind also einfach die Wirkung des Systems, das von einem Zerfallsmechanismus zum anderen springt. Giacosa und Pagliara vergleichen dies mit den bekannten Rabi-Oszillationen, die in vielen Quantensystemen vorkommen.

Das Spannendste ist, dass diese Theorie zu einer interessanten Vorhersage führt. Giacosa und Pagliara sagen, dass, wenn das GSI-Team die Zerfallsrate in Intervallen von viel kürzer als 7 Sekunden messen kann, die Zerfallsrate schnell auf Null sinken sollte. Wenn das Experiment bei GSI einige Punkte unter 10 s messen könnte, könnte unsere Interpretation leicht abgelehnt oder bestätigt werden, heißt es.

Diese Ideen haben weitreichende Auswirkungen. Giacosa und Pagliara sagen, dass dieser Effekt andere seltsame periodische Variationen der Zerfallsraten erklären könnte, die Physiker über viel längere Zeitskalen beobachtet haben. Wir haben uns einige davon angeschaut Hier .

Darüber hinaus sind die Variationen eindeutig grundlegende Effekte in der Quantenmechanik, die tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis der Kernprozesse haben könnten, die im Inneren der Sterne ablaufen.

Und all dies bedeutet, dass die GSI-Anomalie noch mehr Spaß macht, egal ob diese Erklärung zutrifft oder nicht.

Ref: arxiv.org/abs/1110.1669 : Schwingungen im Zerfallsgesetz: Eine mögliche quantenmechanische Erklärung der GSI-Anomalie?

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