The long half-life of highly ionized Ti-44

Abstract

The ionization effect on the half life is discussed by taking into account the evolution of a Supernova Remnant (SNR) in which Ti-44 was synthesized. A simple model is taken to demonstrate the retardation of the decay as the first step. The binding energy of the K-shell electrons of Ti-44 is calculated to be 6.6 keV. Hence it is obvious that Ti-44 is fully ionized when it is synthesized in a supernova explosion. After the explosion, the temperature of the ejected material decreases rapidly due to the adiabatic cooling as the ejecta freely expands. Consequently, it is expected that the created nuclei become neutral within about 1,000 sec. However, there is a possibility that Ti-44 is made to be ionized again. This is due to a reverse shock heating. The reverse shock becomes important, say, from about 100 yr. after the explosion. Ti-44 is radioactive, and the nuclear gamma rays from its decay have been detected with COMPTEL in SNR Cassiopeia-A (Cas-A). A hindrance here is the half life, which is not easy to be determined experimentally. The latest half life values determined from experiments converge into 60 +/- 1 year. The laboratory half life measurements are for the neutral atoms. Ti-44 can be ionized during the evolution of a SNR. In this case, the resulting effective half life becomes longer than the experimental value. This is because Ti-44 decays 100 percent by electron capture. The orbital-electron-capture decay is suppressed, when the nucleus possesses no or a few electrons in astrophysical situation.

Ti-44が合成されている超新星残骸(SNR)の発展を考慮しながら、半減期に対するイオン化効果を議論した。単純なモデルを使って、最初の段階として崩壊の遅れを示した。Ti-44のK-殻電子の結合エネルギーを計算し、6.6keVを得た。したがって、Ti-44は超新星爆発で合成されるとき、完全にイオン化されることが明らかである。爆発の後、放出物質の温度は自由膨張とともに断熱冷却となって急速に低下する。結局、生成核は約1,000秒以内で中性になると期待される。しかしながら、Ti-44が再イオン化される可能性がある。これは逆衝撃加熱によるものである。逆衝撃は、例えば爆発から約100年後から重要になる。Ti-44は放射性であり、その崩壊による核のγ線がSNRのCassiopeia-A(Cas-A)のCOMPTELで検出されている。ここで障害になるのは半減期である。それは実験的に決定することが簡単でない。最も最近の実験で決定された半減期は60±1年に収束している。実験室の半減期測定は中性原子に関するものである。Ti-44はSNRの発展途中でイオン化される。この場合に得られる有効半減期は実験値よりも長くなる。これはTi-44が電子捕獲で100%崩壊するからである。天体物理的状態で核がほとんど電子を持たないとき、軌道-電子-捕獲崩壊は抑制される。