BISMUTH-209 SLAAT ALLE RECORDS QUA METING ALFA-HALVERINGSTIJD

Fysici verbonden aan het Institut d'Astrophysique Spatiale in het Franse Orsay zijn erin geslaagd de halveringstijd te bepalen van bismuth. Noel Coron en zijn medewerkers kwamen uit op 19 10 (triljoen) jaar, de langste halveringstijd voor een in de natuur voorkomend element die ooit is gemeten en een miljard keer groter dan de huidige leeftijd van het heelal (Nature, 24 april).

Het gaat om bismuth-209, met 83 protonen en 126 neutronen in de atoomkern en algemeen beschouwd als de zwaarste `stabiele' isotoop. Niettemin voorspelt de theorie dat bismuth instabiel zou moeten zijn en onder uitzending van een alfa-deeltje (een heliumkern) zou moeten vervallen naar het stabielere thallium-205. Omdat de energie van de alfadeeltjes bij dit radioactieve verval zeer gering is, is de halveringstijd ongemeen lang. Het meten vereist dan ook een experimenteel hoogstandje, ook al omdat het doordringend vermogen van alfadeltjes in vaste stof extreem klein is: circa eenhonderdste millimeter.

De Franse opstelling bestond uit een bolometer met twee detectoren, een voor warmte en een voor licht. Samen bevonden ze zich in een reflecterende omgeving die (met behulp van een helium-3 helium-4 mengmachine) was afgekoeld tot 0,020 graden boven het absolute nulpunt (-273 °C) om de gevoeligheid te vergroten. De warmtedetector, een combinatie van het te onderzoeken bismuth-209, germanium en zuurstof, steeg iets in temperatuur zodra hij een (al dan niet door het bismuth uitgezonden) alfadeeltje absorbeerde. Deze temperatuurverandering vertaalde zich in een elektrische spanning, waarvan de grootte evenredig was met de energie van het alfadeeltje. De tweede detector, bestaande uit een dunne schijf germanium (diameter 25 mm), registreerde de lichtflitsen waarmee het uitzenden van alfadeeltjes gepaard gaat.

De Fransen deden twee metingen, een met 31 gram bismuth in de detector en een met 62 gram. In vijf dagen tijd zagen ze in totaal 128 alfa-events, veelal toe te schrijven aan radioactief alfaverval van aanwezige verontreinigingen zoals radium, radon, polonium en thorium. Maar er zat ook een onverwachte piek tussen behorend bij een energie van 3,14 MeV (mega-elektronvolt). Deze bleek te kunnen worden toegeschreven aan het bismuth-209. De bijbehorende halfwaardetijd werd berekend op 19 triljoen jaar (met een marge van 2). Dit is, gelet op de onzekerheden in de modellen, in goede overeenstemming met de theoretisch berekende waarde van 46 triljoen jaar.

Overigens was het experiment in Orsay een zijpaadje in een astrofysische speurtocht naar donkere materie, waarvoor deze zeer gevoelige apparatuur ook gebruikt kan worden.