铯136中低位异构态的发现在粒子天体物理学中具有应用

使用氙作为目标介质的大型低本底探测器广泛应用于基础物理学，特别是在寻找暗物质或研究原子核罕见衰变的实验中。在这些探测器中，中微子等中性粒子与氙 136 原子核的弱相互作用可以将其转变为处于高能激发态的铯 136 原子核。

当铯 136 从激发态弛豫时发出的伽马射线可以让科学家将稀有信号与背景放射性分开。这可以实现对太阳中微子的新测量，并更有效地搜索某些暗物质模型。然而，由于缺乏可靠的铯 136 核数据，寻找这些事件一直很困难。研究人员需要了解铯 136激发态的特性，而该同位素的激发态特性从未被测量过。

这项发表在《物理评论快报》上的研究通过测量粒子加速器核反应中产生的铯 136 的伽马射线发射来直接确定相关数据。重要的是，这项研究揭示了所谓“异构态”的存在，即在弛豫到基态之前存在约 100 纳秒的激发态。

在现代粒子物理实验中，从这些状态延迟发射的伽马射线将显示为与初始反应不同的单独信号。这在数据中创建了清晰的签名，使研究人员能够拒绝背景噪音并明确识别这些类型的罕见相互作用。

来自劳伦斯伯克利国家实验室、SLAC 国家加速器实验室、北卡罗来纳大学威尔明顿分校和杜克大学的一组研究人员使用三角大学核实验室的串联加速器对铯 136 的激发态进行了新的测量。隧道)。

研究人员通过用脉冲质子束轰击氙 136 气体目标，产生了激发态铯 136。他们使用目标周围的四个高纯度锗探测器检测到了由此产生的伽马射线发射。

该实验测量了伽马射线的能量及其相对于光束脉冲的检测时间，使团队能够重建铯136核的能级结构并测量伽马射线发射中涉及的激发态的寿命。其中两个激发态被确定为核异构体，其寿命分别为 95 纳秒和 157 纳秒。

这些数据使研究人员首次能够可靠地模拟大型氙探测器中所谓的“带电”核相互作用引起的伽马射线的发射。这为探测天体物理中微子和可能的暗物质候选者开辟了一条新渠道。

目前正在运行的几个主要实验(包括 LZ、XENONnT 和 KAMLAND-Zen)可以立即开始在其数据中搜索这些事件。下一代实验(例如 nEXO 或 XLZD)将含有更多的氙 136，可能对太阳中微子光谱的低能成分(例如来自碳-氮-氧(CNO)循环的中微子)特别敏感。

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