寻找自然界最稀有同位素的衰变Tantalum-180m

钽是最稀有的元素之一，具有多种稳定同位素。Ta-180是含量最少的钽同位素，天然存在于长寿命激发态，这是该同位素的独特特征。在激发态下，原子核的质子或中子的能量水平高于正常水平。

尽管在能量上是可能的，但Ta-180m中这种激发态的放射性衰变从未被观察到。研究人员目前正在进行旨在测量这种衰变的实验，预计这种衰变的寿命比宇宙年龄长约100万倍。

原子核激发态的衰变提供了关于原子核在这些状态下如何变形的见解。核物理学家广泛研究了这些短寿命同位素(称为异构体)的形状变化以及随后的形成。然而，他们还没有彻底研究最极端的情况之一，即Ta-180m的衰变。

物理学家可以根据较短寿命异构体的知识，利用核理论来预测Ta-180m的衰变，但这种特殊的异构体尚未被测量。其卓越的稳定性挑战了现有的核结构和衰变理论和模型。这意味着测量Ta-180m的衰变是为核理论做出贡献的前所未有的机会。

现在，科学家们第一次设计了一项具有达到预期半衰期所需灵敏度的实验。该实验产生了初步数据，并建立了核异构体研究中迄今为止达到的最长限制。该研究发表在《物理评论快报》杂志上。

在这个项目中，物理学家重组了南达科他州桑福德地下研究设施的MAJORANA超低本底设施。此外，与之前类似研究中使用的任何样品相比，他们引入了更大的钽样品。

在一年的时间里，研究人员使用具有卓越能量分辨率的锗探测器收集了数据。他们还开发了专门用于检测多种预期衰变特征的分析方法。这些共同努力使他们能够建立前所未有的限制，范围在1018至1019年之间。这种灵敏度水平标志着首次可以达到核理论预测的半衰期值。

尽管尚未观察到衰变过程，但这些进步已将现有限制显着提高了一到两个数量级。此外，这一进展使研究人员能够排除与各种潜在暗物质粒子相关的某些参数范围。