First direct observation of Bound-State Beta-Decay : Measurements of branching and lifetime of 207Tl81+ fragments

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2005

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http://dx.doi.org/10.22029/jlupub-9531

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Der beta-Zerfall in gebundene Endzustände des freigesetzten Elektrons ist ein seit vielen Jahrzehnten vorhergesagter aber erst vor wenigen Jahren bei GSI erstmalig experimentell nachgewiesener Zerfallsprozess der schwachen Wechselwirkung. Während er in Atomen und niedrig geladenen Ionen vernachlässigbar ist, kann er die Zerfallseigenschaften in hochgeladenen Ionen und vollständig ionisierten Kernen dramatisch beeinflussen. Während diese Pionier-Experimente auf den (indirekten) Nachweis an sich bzw. auf Halbwertszeitmessungen ausgerichtet waren, waren die Ziele der vorliegenden Arbeit die erstmalige direkte Beobachtung des gebundenen beta-Zerfalls sowie die erstmalige Messung eines Verzweigungsverhältnisses des beta-Zerfalls ins Kontinuum (beta_c) und in gebundene Zustände (beta_b). Dieses Verzweigungsverhältnis, welches für die zeitumgekehrten Prozesse des Elektroneneinfangs und des beta(+)-Zerfalls theoretischund experimentell im Detail untersucht und verstanden ist, ist für den beta(-)-Zerfall bisher nur theoretisch bekannt. Für das Experiment wurde das Nuklid 207Tl ausgewählt, welches einerseits eine genügend hohe Ordnungszahl und einen hinreichend kleinen Q-Wert von etwa 1,4 MeV besitzt, so dass im Hinblick auf die Messgenauigkeit ein genügend grosses Verzweigungsverhältnis erreicht wird (die theoretische Vorhersage beträgt in diesem Fall beta_b/beta_c = 0.171(1)), andererseits ist der Q-Wert gross genug, so dass der verwendeten zeitaufgelösten Schottky-Spektroskopie benuzt werden konnte, und auch die Halbwertszeit liegt mit etwa vier Minuten in einer hinsichtlich der eingesetzten Experimentiertechnik idealen Grössenordnung. In einem Pilotexperiment wurde im Hauptexperiment erstmals die stochastische Kühlung für Sekundärstrahlen am ESR eingesetzt. Dazu wurde 207Tl durch die Fragmentationsreaktion eines 208Pb-Strahls in einem Beryllium-Target am Eingang des FRS erzeugt, mittels der Bp-DE-Bp Methode isotopenrein separiert und in den ESR eingeschossen. Durch die Kombination von stochastischer und Elektronenkühlung wurden jetzt Kühlzeiten von etwa sechs bis sieben Sekunden erzielt. Die beobachtete Halbwertszeit des 207Tl81+ liegt mit T_1/2 = 255(17) s etwa 12 % unter der des neutralen Atoms. Zwar spielen hier auch Effekte wie die fehlende Abschirmung durch die fehlende Elektronenhülle sowie die Modifikation des Q-Werts eine Rolle, der hauptsächliche Effekt aber kommt von dem nun zusätzlich verfügbaren Phasenraum, der zum neu hinzukommenden Zerfallskanal des gebundenen beta-Zerfalls führt. Das gesuchte Verzweigungsverhältnis von b/c = 0,192(20), welches in hervorragender Übereinstimmung mit dem theoretisch vorhergesagten Wert ist. Ferner kann aufgrund der kurzen Kühl- und Messzeiten auch der isomere Zustand 207mTl untersucht werden. Die Halbwertszeit des nackten isomeren Zustands gemessene Wert ist 1.47(32) s, in Übereinstimmung mit dem erwarteten Wert. Auch hierbei weicht die Halbwertszeit von der des neutralen Atoms ab 1.33(11) s, daß aufgrund der fehlenden Elektronenhülle die Möglichkeit der Konversion nicht mehr gegeben ist, was zu einer grösseren Lebensdauer führt.

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