I gresk mytologi straffet de olympiske gudene halvguden Tantalus ved å lenke ham i en vannbasseng under et tre tungt lastet med frukt. Hvis Tantalus strakte seg mot frukten for å stille sulten, rygget grenene tilbake. Hvis han bøyde seg for å slukke tørsten, trakk vannet seg.
Historien om denne evigvarende straffen er opprinnelsen til både verbet “å friste” og det relaterte ordet “tantalum.” Tantal er et sjeldent grunnstoff dannet i hjertet av døende stjerner, oppkalt etter dets manglende evne til å absorbere syre, selv når det er nedsenket i et basseng av det.
Akkurat som vannet og frukten som unngikk Tantalus, har en fullstendig forståelse av en isotop av tantal unngått forskere. «Sannsynligvis har alle kjernefysikere hørt om dette problemet; det er et åpent, stående spørsmål, sier Samuel Meijer, en stabsforsker ved Los Alamos National Laboratory ved US Department of Energy.
Men tantalspørsmålet kan snart ha et svar, takket være en detektor som opprinnelig ble designet for å studere nøytrinoer.
Opp i luften
I atomverdenen søker partikler hele tiden likevekt.
Når et proton eller nøytron i midten av et atom mottar et utbrudd av energi, hopper det til et høyere, ustabilt energinivå, som et barn som får et dytt på en lekeplasshuske. For å gjenvinne stasis, forfaller protonet eller nøytronet, og faller tilbake som en sving som svinger tilbake til sitt lavere energinivå.
Dette skjer vanligvis med en gang. Men noen ganger, sier Ralph Massarczyk, også en stabsforsker ved Los Alamos, setter protonet eller nøytronet seg fast.
En “fast” partikkel – barnet vårt på en huske, nå på mystisk vis hengende i luften – er styrt av en merkelig fysikklov kalt “spinn-undertrykkelse”.
Det kan ta flere sekunder før den fastlåste partikkelen forfaller tilbake til grunntilstanden. Det kan ta år.
Disse fastsittende partiklene, kalt metastabile isomerer, løsner etter hvert igjen. Forskere vet dette fordi de har sett nesten hver eneste av dem gjøre det – bortsett fra én.
“Tantal-180m er det eneste uobserverte metastabile tilstandsforfallet,” sier Meijer.
Teorien forutsier at halveringstiden til tantal-180m, en av tantals to naturlige tilstander, bør være mellom 1017 og 1018 år. Det er langt lenger enn universet selv har eksistert.
Noen tantal-180m atomer vil forfalle raskere enn andre. Forskere kan øke sjansene for å være vitne til et forfall ved å øke antall atomer de overvåker og ved å redusere bakgrunnen. Likevel, jo lengre levetid, desto vanskeligere blir det å fange forfallet.
Tantal er blant de sjeldneste grunnstoffene i solsystemet, og tantal-180m isotopen utgjør bare 0,012 % av naturlig forekommende tantal.
Det avslørende tegnet på tantal-180m forfall er utgivelsen av en gammastråle. I en ultrasensitiv detektor kan selv små mengder bakgrunnsstråling fra solen, atmosfæren og støvet fortrenge signalet.
I 2016 plasserte forskere i det underjordiske laboratoriet HADES i Belgia 1,5 kilo tantal (som inneholder omtrent 180 milligram tantal-180m) mellom to høyrente germaniumdetektorer i håp om å observere et forfall.
Samarbeidet så og ventet 244 dager på et signal som aldri kom. HADES-eksperimentet satte den strengeste nedre grensen for levetiden til tantal-180m: 4,5×1016 år.
Under bakken
Et nytt forsøk på å observere forfallet av tantal-180m er i gang, ved en detektor som opprinnelig ble konstruert for å observere en enda sjeldnere prosess.
Majorana Demonstrator ble bygget for å teste teknologi for søket etter nøytrinoløst dobbeltbeta-forfall – en teoretisk prosess som frigjør to nøytrinoer, som krasjer inn i hverandre og gjensidig ødelegger.
Å observere nøytrinoløst dobbeltbeta-forfall ville svare på et viktig spørsmål fysikere har om nøytrinoer: Er de deres egne antipartikler? Hvis de kan utslette hverandre, må de være det.
Majorana Demonstrator-samarbeidet bygde detektoren deres med ultrarene materialer, og plasserte den deretter i lag med skjerming i et renrom 4850 fot under jorden ved Sanford Underground Research Facility i South Dakota. Der, nesten en kilometer med stein skjermer eksperimentet fra bakgrunner skapt av kosmiske stråler og solen.
Etter seks års drift, beviste Majorana Demonstrator-forskerne sin teknologi og banet vei for et neste generasjons eksperiment. Da forsøkskjøringen nærmet seg slutten, foreslo samarbeidsmedlemmene Massarczyk og Meijer at detektoren og laboratorieplassen skulle brukes på nytt for å studere tantal-180m.
Jakten på å observere det siste gjenværende forfallet av en metastabil isomer “passer med det vi, Majorana Demonstrator-samarbeidet, gjør,” sier Vincente Guiseppe, medtalsperson for Majorana Collaboration og en forskningsmedarbeider ved Oak Ridge National Laboratory. “Vårt primære mål er å lete etter et forfall som aldri har blitt observert, så å tilpasse Majorana-demonstratoren til å søke etter forfallet av tantal-180m gir perfekt mening.”
Massarczyk og Meijer tok på seg oppgaven i april, og ble primæretterforskere – henholdsvis PI og co-PI – for det nye eksperimentet. De plasserte 17,4 kilo tantal (som inneholdt omtrent 2,088 gram tantal-180m) inne i Majorana Demonstrator-detektoren.
Med støtte fra Los Alamos Lab-Directed Research and Development-programmet, sier Massarczyk, var forskerne i stand til å lage det nye eksperimentet med minimal innsats og minimale kostnader.
Majorana-demonstratoren vil bygge videre på HADES-samarbeidets allerede imponerende resultat.
“Sammenlignet med HADES-eksperimentet har vi mer enn 10 ganger tantalmassen,” sier Meijer. “Vi har også et utvalg av 23 detektorer, sammenlignet med de 2 detektorene som ble brukt tidligere. Dette gir oss en høyere måleeffektivitet, og vi er mer sannsynlig å se signaturgammastrålene som kommer fra tantal-180m.»
En vinn-vinn-situasjon
Ved å overvåke denne store prøven av tantal-180m i et helt år, vil eksperimentet måle halveringstiden til tantal-180m til 1019 år, en størrelsesorden utover den forutsagte halveringstiden.
“Det er vanskelig å måle en håndfull atomer for 1019 år, så i stedet kan vi se 1019 atomer i en håndfull år og telle opp hvor mange henfall vi ser, sier Meijer. “Fordi å bestemme halveringstiden til en isotop er en statistisk prosess, vil du se så mange henfall som mulig for å estimere halveringstiden med større presisjon. Å øke både antall atomer og måletiden forbedrer antallet signaler du kan se.”
Hvis spådommen er riktig, vil eksperimentet endelig være vitne til et forfall av tantal-180m.
Hvis tantal-180m blir observert å forfalle, kan det oppmuntre forskere til å se nærmere etter påvirkningen av teoretiske mørk materiepartikler. Forskere tror at mørk materie partikler kan “dytte” protonene eller nøytronene i tantal-180m for å forfalle.
Men forskerne kunne også finne at den teoretiske spådommen er feil.
“Hvis spådommen er feil, er det fortsatt spennende, fordi det peker oss i en ny retning,” sier Meijer. “På en eller annen måte kan du egentlig ikke tape ved å prøve å gjøre denne målingen med dette oppsettet. Vi vet at vi vil måle noe interessant, uavhengig av hva som skjer.»