私たちの周りのすべての物質が安定しているわけではありません。一部の物質は放射性崩壊を起こして、より安定した同位体を形成します。テキサス A&M 大学サイクロトロン研究所の先進的な装置を使用して、科学者たちは、3 つのヘリウム原子核、陽子、陽電子を生成する酸素 13 の独特な放射性崩壊を初めて観察しました。
科学者たちは今回、新たな崩壊パターンを初めて観察した。この崩壊では、より軽い酸素の形態である酸素 13 (陽子 8 個と中性子 5 個を持つ) が、3 つのヘリウム原子核 (周囲に電子を持たない原子)、1 つの陽子、および 1 つの陽電子 (電子の反物質版) に分裂して崩壊します。
科学者は、個々の原子核が分解する様子を観察し、その分解生成物を測定することによってこの崩壊を観察します。
科学者らはこれまで、「ベータプラス崩壊」として知られる放射性崩壊の興味深いパターンを観察してきた。このプロセスでは、陽子が中性子に変わり、陽電子と反ニュートリノの放出によって生成されたエネルギーの一部が放出されます。最初のベータ崩壊の後、結果として生じる原子核は、余分な粒子を沸騰させて原子核自体をより安定させるのに十分なエネルギーを持つことができます。
この新しい崩壊モードは、3 つのヘリウム原子核 (アルファ粒子) と 1 つの陽子を放出するベータ崩壊の最初の観測です。この発見により、科学者は崩壊の過程と崩壊前の原子核の性質を理解できるようになります。
原子核がこの新しい崩壊モードのベータ崩壊を受けた後に生成される粒子の画像。結果として生じる原子核は、崩壊点 (赤い円) から 3 つのヘリウム原子核 (α) と 1 つの陽子 (p) に分裂します。画像出典：J.Bishop提供
この実験では、研究者らはテキサスA&M大学のサイクロトロン研究所を利用して、高エネルギー（光速の約10％）の放射性原子核のビームを生成した。彼らはこの放射性物質（酸素13）のビームをテキサス・アクティブ・ターゲット・タイム・プロジェクション・チャンバー（TexATTPC）と呼ばれる装置に送り込んだ。この物質は、二酸化炭素ガスで満たされた検出器内で停止し、陽電子とニュートリノを放出して約 10 ミリ秒後に崩壊します (ベータプラス崩壊)。
研究者らは、原子核ごとに酸素13を検出器原子核に注入し、崩壊するのを待った後、TexATTPCを使用してベータ崩壊後に沸騰した粒子を測定した。次に、コンピュータ プログラムを使用してデータを分析し、粒子がガス中に残した痕跡を特定しました。このようにして、ベータ崩壊後に4つの粒子が放出されるというまれな現象（1,200回の崩壊に1回のみ発生）を特定することができました。