Recent upgrades to the CRIS Decay Spectroscopy Station: Accessing - and -ray spectroscopy on pure isomeric beams
ISOLDE-CERNのCRIS崩壊分光ステーションは、アイソマー選択的なおよび線分光を可能にするために、再設計された真空適合型検出チャンバー、新しいテープシステム、およびデジタルDAQを備えてアップグレードされ、Inアイソマーの完全な分離と効率的な検出によって成功裏に実証された。
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物質の核心部には、原子核と呼ばれる、プロトン（陽子）と中性子の密な集まりが存在し、それがあらゆる元素を定義しています。安定した原子核もあれば、不安定、すなわち放射性であるものも多く、より安定した状態を見出すために絶えずエネルギーを放出しながら変化しています。科学者たちは、宇宙を繋ぎ止めている基礎的な力を理解するために、これらの一瞬の崩壊現象を研究しています。しかし、この分野における永続的な課題は「アイソマー（核異性体）」の存在です。これらは同じ数のプロトンと中性数を持ちながら、エネルギー状態が異なる同じ原子のバージョンであり、例えるなら、折りたたまれた紙と平らな紙のようなものです。多くの場合、これらの異なるバージョンは混ざり合った状態で研究室に届くため、どれが崩壊しているのか、どれが単なる背景ノイズなのかを判別することが極めて困難になります。特定の核状態の真の性質を見るためには、研究者はレーザーと真空技術の繊細なバランスを用いて、それを極めて精密に単離しなければなりません。
欧州原子核研究機構として知られるCERNにおいて、科学者たちのチームが、この問題を解決するために「崩壊分光ステーション」と呼ばれる特殊な施設を最近アップグレードしました。ISOLDE施設内に位置するこのステーションは、放射性原子が生成される瞬間を捉え、それらがどのように崩壊するかを研究するように設計されています。大規模な国際共同研究によって率いられた研究者たちは、単一の核状態のみを含むように精製された原子ビームを使用できるよう、このステーションを改良しました。コリニア共鳴イオン化分光法という強力な手法を用いることで、彼らはレーザーの波長を、研究したい原子の特定のエネルギー指紋にのみ反応するように調整でき、不要なバージョンのすべてを効果的に取り除くことができます。新しいアップグレードにより、これらの精製されたビームは移動するテープ上に注入されるようになり、テープは原子が生成された後にそれらを運び去るため、以前の原子の残留放射能によって測定が汚染されることがありません。
この新しい機能の物理的な核心は、再設計された検出チャンバーにあります。研究者たちは、古いステンレス鋼のデザインを、超高真空中で動作可能なコンパクトでカスタムメイドのユニットに置き換えました。このチャンバー内には、特殊な検出器の中央を通過する移動テープシステムが設置されています。この検出器は、粒子が衝突したときに光を放つ透明な素材である、カスタムメイドのプラスチックシンチレータです。この中央のハブの周囲には、ガンマ線（核崩壊中に放出される高エネルギーの光のパケット）を感知できる複数の高精度検出器が配置されています。装置全体は、粒子がプラスチックに衝突した正確な瞬間と、その後に続くガンマ線の正確なエネルギーを記録する高度なデジタルシステムに連結されており、これによりチームは前例のない明快さで崩壊プロセスを再構成することができます。
この新しい機械が機能するかどうかをテストするため、チームはインジウムのビームを用いたコミッショニング実験を行いました。インジウムは、基底状態と励起されたアイソマー状態という、2つの明確に異なる形態が存在する化学元素です。これら2つの形態は、そのエネルギーシグネチャが大きく重なり合うため、分離が非常に難しいことで知られています。研究者たちは、レーザーを使用して一方の形態のみを選択しながら、インジウム原子のビームをステーションに導入しました。選択された原子が移動するテープに到達すると、それらは崩壊を始めます。チームは、移動するテープが放射性残渣を正常に運び去り、検出器を清潔に保ち、次の原子のバッチへの準備を整えたことを観察しました。彼らは新しいプラスチック検出器の効率を測定し、崩壊中に放出されるベータ粒子の約19パーセントを捕捉することに成功したことを確認しました。これは、このようなコンパクトな装置としては大きな成果です。
実験における最も顕著な結果は、インジウムの2つの形態を明確に区別できたことでした。レーザーを基底状態に合わせたとき、検出器はその状態が存在するときにのみ現れる特定のガンマ線のパターンを記録しました。レーザーをアイソマー状態に合わせたときは、基底状態からの信号はなく、全く異なる一連のガンマ線が現れました。このクリーンな分離は、チームがこれら2つの核状態を独立して研究できるようになったことを証明しており、これは以前は信号の混合により不可能であったことです。研究者たちは、システムが不要な背景活動を高い効率で除去できることを突き止め、核構造の鮮明な観察を可能にしました。
この研究は、エキゾチック核の研究における重要な進展を意味します。レーザーによる精製と移動テープシステム、そして新世代の検出器を組み合わせることで、チームは、以前は到達不可能であったレベルの純度で核状態を単離・観察できるツールを作り上げました。このアップグレードの成功により、科学者たちは、かつては汚染が原因で研究が困難であった短寿命の同位体を調査できるようになりました。チームはこの新しい能力を用いて、78Ni付近の核構造、具体的には79Znや80Geを探索することを計画しており、それはこの領域における形状共存の解明に期待されています。これらの状態をクリーンに分離できる能力は、原子核の形状と振る舞いに関する長年の疑問に答える扉を開き、宇宙の構成要素である私たちの世界のより鮮明な姿を描き出すものとなるでしょう。
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