Kortlevende atoomkernen

[efdee]

De massa van een ion en daarmee van een atoomkern wordt bepaald met behulp van een massaspectrometer.
Het geladen deeltje wordt eerst elektrisch versneld, dan magnetisch afgebogen en tenslotte op een fotografische plaat of detector opgevangen.
 
Maar hoe kan de massa bepaald worden als de kern zo kortdurig bestaat, dat die nooit bij de detector aankomt?

[physicalattraction]

Het kan voorkomen dat een kort levend deeltje zulk een grote snelheid heeft, dat relativiteitstheorie een rol gaat spelen. In zijn eigen referentiestelsel leeft hij dan bijvoorbeeld maar 1 ns, en zou dus hooguit 30 cm kunnen afleggen. Maar doordat hij heel snel kan gaan, kan hij in het referentiestelsel van het laboratorium veel langer leven, en (in dit referentiestelsel) dus een grotere afstand kunnen afleggen dan 30 cm.
 
Op Wikipedia kun je dit ook terug vinden waarom we toch zoveel muonen kunnen detecteren die hoog in de atmosfeer gegenereerd worden.
 
Mocht de halfwaardetijd van een atoom echt te kort zijn, en hij geen relativistische snelheid hebben, dan kunnen we dit atoom niet op deze manier meten.

[Michel Uphoff]

Maar hoe kan de massa bepaald worden als de kern zo kortdurig bestaat, dat die nooit bij de detector aankomt?

 
Als ook de tijddilatatie geen soelaas biedt, dan kijk je bijvoorbeeld naar de vervalproducten. Een sterk vereenvoudigd voorbeeld hiervan:
 
Een Higgs-deeltje is nog nooit direct waargenomen, het bestaat gewoonweg te kort om welke detector dan ook te kunnen bereiken. De gemiddelde levensduur van het Higgs deeltje is 1.6×10⁻²² seconden. In die tijd legt dat deeltje zelfs bij 0.999998 c waarbij de vervalduur een factor 500 langer is een extreem korte afstand af, minder dan een tienmiljoenste millimeter. In de binnenste 6,3 cm buis van de large hadron collider van Cern (klik) waar geen enkele detector is, is dat deeltje dan al ruim vervallen.
 
Maar de vervalproducten van het Higgs deeltje, bijvoorbeeld twee hoog energetische fotonen (er zijn een aantal andere mogelijkheden tot verval), kunnen verderop wel door de calorimeters worden opgepikt. De gemeten energie van die twee fotonen is dankzij e=mc² gelijk aan de massa van het Higgs deeltje.