Vacuüm ultraviolet spectroscopie van het stralingsverval van de nucleaire isomeer in 229Th

Het radio-isotoop 229Th heeft een nucleair isomeer, 229mTh, met een buitengewoon kleine excitatie-energie van ≈ 8 eV. Hierdoor is 229mTh een geschikte kandidaat voor een toekomstige generatie van nauwkeurige klokken om fundamentele fysica te bestuderen. Hoewel de eerste indicaties voor het bestaan van deze isomeer meer dan 46 jaar oud zijn, is het bestaan ervan maar recent experimenteel bewezen door middel van de observatie van het verval via interne electron conversie electronen. Dit maakte metingen van onder andere de excitatie-energie mogelijk. Ondanks de grote vooruitgang bij de studie van deze isomeer werd de experimentele observatie van het theoretisch voorspelde stralingsverval nog steeds niet geobserveerd en wordt de ontwikkeling van deze nieuwe klok tegengehouden door een te grote onzekerheid op de excitatie-energie van 229mTh.

Om de beperkingen van vroegere experimentele studies te omzeilen wordt het aantal opgewekte isomeren vergroot en de achtergrond van de metingen geminimaliseerd met behulp van een nieuwe aanpak. Deze aanpak is gebaseerd op het β-verval van 229Ac in combinatie met radioactieve ionen bundels van ISOLDE aan het CERN, die in kristallen met een grote bandkloof geïmplanteerd worden. In dit proefschrift wordt, uitgaand van dit concept, een meetinstrument ontwikkeld om het stralingsverval van het laag-energetische isomeer te observeren en een meer nauwkeurige energie waarde te bepalen.

In een experimentale campagne met behulp van een een angepaste vacüum ultraviolet spectrometer werd de golflengte van het foton dat uitgezonden wordt tijdens het verval van de isomeer bepaald. Deze golflengte is 148.71(42) nm, wat overeenkomt met een energie van 8.338(24) eV. Bijkomend werd de levensduur van het stralingsverval in een MgF2 -kristal bepaald. De verbeterde onzekerheid van de excitatie-energie vereenvoudigt de zoektocht naar rechtstreekse laserexcitatie. De eerste observatie van het stralingsverval en een schatting van de levensduur in een kristal heeft belangrijke gevolgen voor de ontwikkeling van een toekomstige klok in een vaste stof omgeving.