Französische Physiker haben die längste jemals gemessene radioaktive Halbwertszeit – über zwanzig Milliarden Jahre – in einem natürlich vorkommenden Element gemessen, das durch die Emission von Alpha-Teilchen zerfällt. Nőel Coron und Kollegen vom Institut d’Astrophysique Spatiale in Orsay verwendeten ein „Szintillationsbolometer“ bei sehr niedrigen Temperaturen, um die Emission von Alphateilchen – geladene Teilchen, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen – beim Zerfall von Bismut-209 in Thallium-205 nachzuweisen (P de Marcillac et al. 2003 Nature 422 876).
Obwohl man gemeinhin annimmt, dass Bismut-209 das schwerste stabile Isotop ist, das in der Natur vorkommt, sollte es theoretisch metastabil sein und durch die Emission von Alphateilchen zu Thallium-205 zerfallen. Dieser Zerfall ist nicht leicht zu messen, da die erzeugten Alphateilchen nur eine sehr geringe Energie haben, was bedeutet, dass das Isotop mit einer sehr niedrigen Rate zerfällt.
Die vom Orsay-Team verwendete Ausrüstung besteht aus zwei „Wärme- und Licht“-Detektoren, die in einem reflektierenden Hohlraum eingeschlossen und auf 20mk gekühlt sind. Der erste Detektor, der Wismut-209, Germanium und Sauerstoff enthält, erfährt einen leichten Temperaturanstieg, wenn er ein Alphateilchen absorbiert. Diese Temperaturänderung wird in Form eines Spannungsimpulses gemessen, dessen Amplitude direkt proportional zur freigesetzten Energie ist. Der zweite Detektor, der aus einer dünnen Scheibe aus Germanium besteht, registriert die Lichtblitze der Alphateilchen-Ereignisse.
Das Team führte zwei Messungen durch, eine mit 31 Gramm Wismut im Detektor und die andere mit 62 Gramm. Die Wissenschaftler registrierten 128 Alphateilchen-Ereignisse über einen Zeitraum von 5 Tagen und fanden eine unerwartete Linie im Spektrum bei 3,14 MeV, die nun dem Wismut-209-Zerfall zugeschrieben wird. Die Halbwertszeit wurde auf (1,9 +/- 0,2 ) x 1019 Jahre berechnet, was in guter Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage von 4,6 x 1019 Jahren steht.
Die Technik könnte auch zum genauen Nachweis von Beta- und Gammazerfällen verwendet werden. „Das Experiment ist ein Nebenprodukt unserer Suche nach dunkler Materie“, erklärt Teammitglied Pierre de Marcillac gegenüber PhysicWeb. „Andere Arten von Zerfällen wie Protonen aus protonenreichen Kernen könnten mit der gleichen Methode untersucht werden, aber das muss noch bewiesen werden!“