首次观测到被忽视的衰变模式

原创 Eugene Wang 万象经验

钾-40是一种自然存在的放射性同位素，它占钾元素的0.012%。它有三种衰变方式：β+衰变、β-衰变和电子俘获。β+衰变是指原子核中的一个质子转变成一个中子，同时放出一个正电子和一个中微子。β-衰变是指原子核中的一个中子转变成一个质子，同时放出一个电子和一个反中微子。电子俘获是指原子核中的一个质子吸收一个内层电子变成中子，同时放出一个中微子。这三种衰变方式都会改变原子核的原子序数，从而形成不同的元素。

钾-40的β+衰变和β-衰变都比较容易观察到，因为它们会放出能量较高的粒子，可以被探测器捕捉到。钾-40的β+衰变会产生氩-40，而钾-40的β-衰变会产生钙-40。这两种衰变方式的分支比（即发生概率）分别是10.72%和89.28%。

但是，钾-40的电子俘获就比较难观察到，因为它只会放出能量较低的中微子，而中微子是一种非常弱相互作用的粒子，很难被探测器发现。钾-40的电子俘获也会产生氩-40，但是有两种可能性：一种是电子俘获后直接衰变到氩-40的基态，另一种是电子俘获后先衰变到氩-40的激发态，然后再通过γ射线跃迁到氩-40的基态。

这两种可能性分别称为基态电子俘获和激发态电子俘获。激发态电子俘获相对容易观察到，因为它会放出γ射线，而γ射线可以被探测器检测到。激发态电子俘获的分支比约为0.001%。但是，基态电子俘获就非常难观察到，因为它除了放出中微子外没有其他信号，而中微子很难被探测器捕获。基态电子俘获的分支比以前被预测为0.2%，但是从未被实验证实。

那么，为什么我们要关心钾-40的基态电子俘获呢？原来，这种罕见的衰变模式对基本物理、核结构理论和地质年代测定都有重要的影响。对于基本物理，钾-40的基态电子俘获可以提供一种探测中微子性质的方法，比如中微子的质量、味振荡和相互作用。对于核结构理论，钾-40的基态电子俘获可以检验原子核模型的有效性和精确度，比如壳层模型。对于地质年代测定，钾-40的基态电子俘获可以影响钾-氩年代法的准确性和可靠性。

钾-氩年代法是一种利用钾-40衰变成氩-40的速率来测量岩石或矿物的形成时间或冷却时间的方法。这种方法的基本原理是，钾-40和氩-40在岩石或矿物中的比例与它们的年龄成正比。但是，如果钾-40的基态电子俘获的分支比与以前预测的不同，那么就会导致钾-氩年代法的误差。因此，准确测量钾-40的基态电子俘获的分支比对于地质年代测定是非常重要的。

现在，一篇发表在《物理评论块表》的论文观察到钾-40的基态电子俘获。作者使用了一种称为低温微波谐振器（LCMR）的装置，它可以极大地增强中微子与物质之间的相互作用，从而提高探测中微子的灵敏度。LCMR是一种可以在低温下产生高品质因子（即储能效率）的谐振腔，它可以将微波信号与中微子振荡相匹配，从而增加中微子被吸收的概率。

作者使用了一个含有大约1.5克纯钾-40的LCMR，将其放置在一个低温环境中，并用一个高灵敏度的放大器和一个频谱分析仪来监测LCMR中的微波信号。当钾-40发生基态电子俘获时，会放出一个中微子，这个中微子有一定概率被LCMR吸收，从而导致LCMR中的微波信号发生变化。通过分析这些信号变化，作者就可以推断出钾-40发生基态电子俘获的事件和频率。

作者在两年内收集了大约2.4亿个候选事件，并用一种称为最大似然法的统计方法来分析它们。最大似然法是一种根据观测数据来估计模型参数的方法，它可以找到使数据出现概率最大化的参数值。作者使用了一个包含了多个物理过程和背景噪声的模型来拟合观测数据，并用最大似然法来估计其中包含钾-40基态电子俘获事件的比例。

作者发现，在所有候选事件中，有0.15%±0.02%是由钾-40基态电子俘获引起的，这个结果与以前预测的0.2%基本符合，但是有更高的精度和可信度。这是第一次实验上观察到钾-40基态电子俘获，并且准确地测量了它的分支比。

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