Aktuelles 

Seltenster Zerfall

Von Rainer Scharf

Bisher galt Wismut als das schwerste chemische Element, das noch stabile Isotope besitzt. Jetzt hat sich aber herausgestellt, dass dieses spröde, rosa schimmernde Metall doch radioaktiv ist und mit einer rekordverdächtigen Halbwertszeit von 20 Trillionen (!) Jahren zerfällt.

In der Natur vorkommendes Wismut enthält ausschließlich das Isotop 209Bi. Weitere Wismut-Isotope hat man künstlich hergestellt und untersucht. Sie sind vergleichsweise kurzlebig und zerfallen mit Halbwertszeiten zwischen einigen Millisekunden und mehreren Tausend Jahren. Ob das Isotop 209Bi vielleicht doch nur metastabil ist und schließlich ebenfalls radioaktiv zerfällt, war trotz intensiver Untersuchungen lange Zeit unklar.

Dabei enthält ein 209Bi-Atomkern eigentlich genug Energie, um ein Alphateilchen (ein Heliumkern aus je zwei Protonen und Neutronen) abgeben zu können und sich dadurch in das Thallium-Isotop 205Tl umzuwandeln. Bei diesem Alphazerfall würde eine Energie von 3 MeV frei werden. Die vergleichsweise kleine Zerfallsenergie des Wismuts hat zur Folge, dass die Alphateilchen nur mit einer verschwindend geringen Wahrscheinlichkeit aus den Wismutkernen heraustunneln. Berechungen der Halbwertszeit ergaben Werte von etwa 1019 Jahren.

(Bild)
Mit Bolometern auf WIMP-Jagd: Mit diesen Detektoren hat man jetzt den Zerfall von natürlichem Wismut nachgewiesen. (Quelle: ROSEBUD)

Pierre de Marcillac und seine Kollegen vom Institut d¿Astrophysique Spatiale der Universität Paris haben nun endlich das Wismut beim radioaktiven Zerfall ertappt. Eigentlich waren die Forscher auf der Suche nach WIMPs, den Weakly Interacting Massive Particles, die als Kandidaten für die Dunkle Materie gelten. Mit einem extrem empfindlichen Detektor, einem Bolometer, wollten sie diese bislang hypothetischen Teilchen nachweisen.

Das Herzstück des Detektors ist ein Kristall aus Wismut-Germanium-Oxid. Stieße eines der WIMPs mit einem Kristallatom zusammen, so würden Licht und Wärme freigesetzt, die das Bolometer misst. Um die Empfindlichkeit des Detektors zu erhöhen, wurde er auf eine Temperatur von 20 Millikelvin abgekühlt. Das Experiment, das den schönen Namen ROSEBUD (Rare Objects SEarch with Bolometers UndergrounD) trägt, hat man gut abgeschirmt in einem ehemaligen Eisenbahntunnel unter den spanischen Pyrenäen aufgebaut.

WIMPs hat man mit ROSEBUD bisher noch nicht nachweisen können. Man fand jedoch ein verräterisches Signal bei einer Teilchenenergie von 3 MeV. Es waren Alphateilchen entstanden, die genau die Energie hatten, wie man sie für den radioaktiven Zerfall des natürlichen Wismut-Isotops erwartet. Während der fünf Tage dauernden Messungen schlug der Detektor insgesamt 128 Mal Alarm. Daraus berechneten die Forscher eine Halbwertszeit von (1,9 ± 0,2) × 1019 Jahren, die ebenfalls den Erwartungen entsprach.

Die bisher unübertroffen große Halbwertszeit des Wismuts könnte man dazu nutzen, um einen subtilen Effekt beim radioaktiven Zerfall nachzuweisen. Normalweise zerfallen radioaktive Atomkerne nach einem exponentiellen Gesetz: N(t)=N(0) exp(-t/T). Doch für Zeiten, die viel kleiner sind als die Halbwertszeit T, erwartet man Abweichungen vom exponentiellen Zerfall: Die Kerne sollten langsamer zerfallen.

Das Alter der in den Sternen entstandenen Wismutkerne ist mit etwa 1010 Jahren mehrere Milliarden Mal kleiner als ihre Halbwertszeit. Der Zerfall dieser "alten" Kerne ließe sich mit dem Zerfall von "jungen" Wismutkernen vergleichen, die man durch Bestrahlung von Blei mit Neutronen herstellen kann. Dabei könnten mögliche Abweichungen vom exponentiellen Zerfallsgesetz zum Vorschein kommen. 
 

Originalarbeit
Pierre de Marcillac et al., Experimental detection of a-particles from the radioactive decay of natural bismuth, Nature 422, 876 (2003).
http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature01541

Kontakt
Pierre de Marcillac, E-Mail: pierre.demarcillac@ias.u-psud.fr
Noël Coron, E-Mail: noel.coron@ias.u-psud.fr

Weitere Infos

Rosebud-Experiment:
http://www.ias.fr/STAP/ROSEBUD/ROSEBUD_titre.htm
http://www.unizar.es/lfnae/ipaginas/ip0400.html#mrosebud

S. Cebrián et al., The ROSEBUD experiment at Canfranc: 2001 report.
http://xxx.arxiv.org/abs/astro-ph/0112272

Wismut:
http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Bi/key.html

Radioaktiver Zerfall:
L. DeBraeckeleer et al., Measurement of lifetime of 209Bi and test of the exponential decay law. TUNL Progr. Rep. 37, 94 (1998).
http://www.tunl.duke.edu/Local/progrep/1998/

L. DeBraeckeleer et al., Search for of the "stable" nucleus 209Bi. TUNL Progr. Rep. 38, 87 (1999).
http://www.tunl.duke.edu/Local/progrep/1999/

pro-physik.de v. 24.4.2003

>>> Zur Startseite