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Genaue Messungen des Beta-Spektrums von Samarium-151

05.05.2022

In einer gemeinsamen Arbeit mit dem Laboratoire National Henri Becquerel in Frankreich wurde das Beta‑Spektrum von Samarium‑151 genau untersucht. Messdaten eines metallisch‑magnetischen Kalorimeters wurden genutzt, um die Beta‑Endpunktsenergie mit bisher unerreichter Genauigkeit zu bestimmen. Außerdem ist es gelungen die Zerfallswahrscheinlichkeiten zweier miteinander konkurrierender Beta‑Zweige zu ermitteln.

Die Energieverteilung der beim Betaminuszerfall emittierten Elektronen wird durch ein kontinuierliches Spektrum zwischen Null und einer für das zerfallende Radionuklid charakteristischen Maximalenergie, die Endpunktsenergie genannt wird, beschrieben. Die genaue Form des Betaspektrums sowie die Endpunktsenergie sind für viele Anwendungen von grundlegender Bedeutung. Sie spielen zum Beispiel bei Aktivitätsmessungen mit der Flüssigszintillationszählung eine besondere Rolle. Auch für die Neutrino‑Physik sind Betaspektren relevant, da sich aus ihnen entsprechende Antineutrino‑Spektren ableiten lassen.

Der Blick in manches Lehrbuch der Physik kann den Eindruck erwecken, als sei die Berechnung von Beta‑Spektren seit langem gut verstanden. Hochpräzise Messungen, die mit metallisch‑magnetischen Kalorimetern (MMC) durchgeführt wurden, zeigen aber, dass die experimentellen Spektren von solchen, die mittels älterer Modelle berechnet oder vor Jahrzehnten mit anderen Methoden gemessen wurden, teilweise deutlich abweichen. Diese Erkenntnis und die besondere Bedeutung von Beta‑Spektren für die Radionuklidmetrologie haben zu einer Belebung des Forschungsgebiets geführt. Die Rechenmethoden wurden deutlich verbessert und gelten vor allem für erlaubte und unique verbotene Beta‑Zerfälle mittlerweile als recht zuverlässig [1]. Für sogenannte non‑unique verbotene Beta‑Zerfälle besteht dagegen nach wie vor ein großer Forschungsbedarf.

Insbesondere beim Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB) wurden in den letzten Jahren enorme Anstrengungen unternommen, um Beta-Spektren mit MMC‑Detektoren zu messen. Diese Detektoren, die mittlerweile auch in der PTB erfolgreich eingesetzt werden, arbeiten bei sehr niedrigen Temperaturen unterhalb von etwa 50 Milli‑Kelvin und bieten neben einer sehr hohen Energieauflösung sehr niedrige Detektionsschwellen. Daher kann sogar der niederenergetische Teil von Beta‑Spektren genau gemessen werden, was mit anderen Detektoren wie Magnetspektrometern bisher nicht möglich war.

In einer nun veröffentlichten gemeinsamen Arbeit [2] haben die Forscher vom LNHB und der PTB sich den Zerfall von Samarium‑151 genauer angesehen. Die in Frankreich gewonnenen Rohdaten aus MMC‑Messungen wurden von den Teams beider Institute getrennt ausgewertet, um mögliche Fehlerquellen zu erkennen bzw. auszuschließen. Die so gewonnen Spektren beider Forschergruppen stimmen sehr gut überein und aus ihnen konnte mittels sogenannter Kurie‑Plots die Endpunktsenergie zu (76430 ± 68) eV bestimmt werden. Vergleicht man dies mit dem derzeit angenommenen Wert aus der Atom‑Massen‑Evaluation [3] von (76500 ± 500) eV, wird deutlich, dass sich die Standardmessunsicherheit der neuen Messung um mehr als den Faktor 7 reduziert hat.

Die Messdaten wurden weiterhin genutzt, um die Wahrscheinlichkeit zweier konkurrierender Beta‑Zweige zu bestimmen. Neben dem dominanten Beta‑Übergang zum Grundzustand des stabilen Europium‑151 existiert ein zweiter schwächerer Zweig zu einem angeregten Zustand. Wird die Energie des direkt folgenden niederenergetischen Gamma‑Übergangs im MMC‑Detektor absorbiert, führt dies zu einer Verschiebung der Energien des schwachen Beta‑Zweigs im gemessenen Spektrum. Dieser Effekt wurde für die Bestimmung der Zerfallswahrscheinlichkeiten beider Zweige genutzt [2]. Der Erfolg dieser Methode ist gleichzeitig ein wichtiger Meilenstein für ein weiteres geplantes Experiment. Im Rahmen des EMPIR‑Projekts PrimA-LTD [4] sind MMC‑Messungen des Radionuklids Iod‑129 geplant. Auch dort gibt es zwei konkurrierende Beta‑Zweige, wobei hier jedoch der dominante Zweig einen angeregten Zustand des Xenon‑129 speist, was ebenfalls zu einer Verschiebung des Beta‑Spektrums führt. Dieses Phänomen soll genutzt werden, um insbesondere den niederenergetischen Anteil des entsprechenden zweifach verbotenen Beta‑Übergangs mit höchster Präzision zu messen. Die Messergebnisse werden dann eine wichtige Grundlage zur Validierung und Weiterentwicklung theoretischer Modelle darstellen.

Literatur

[1]        BetaShape Code: www.lnhb.fr/rd-activities/spectrum-processing-software/

[2]        Kossert, K., Loidl, M., Mougeot, X., Paulsen, M., Ranitzsch, Ph., Rodrigues, M.: High precision measurement of the 151Sm beta decay by means of a metallic magnetic calorimeter. Applied Radiation and Isotopes 185 (2022) 110237, doi.org/10.1016/j.apradiso.2022.110237 (Open Access).

[3]        Wang, M., Huang, W.J., Kondev, F.G., Audi, G., 2021. The AME2020 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs and references. Chin. Phys. C 45, 030003.

[4]        Website zum EMPIR-Projekt PrimA-LTD „Towards new primary activity measurement standardisation methods based on low-temperature detectors“:  https://prima‑ltd.net/

Ansprechpartner

Opens local program for sending emailK. Kossert, Fachbereich 6.1, 6.14