W głębi góry w środkowych Włoszech naukowcy zastawiają pułapkę na ciemną materię. Przynęta? Duży metalowy zbiornik pełen 3,5 tony (3200 kilogramów) czystego ciekłego ksenonu. Ten szlachetny gaz jest jedną z najczystszych, najbardziej odpornych na promieniowanie substancji na Ziemi, co czyni go idealnym celem do przechwytywania jednych z najrzadszych interakcji cząstek we wszechświecie.
Wszystko to brzmi nieco złowieszczo; powiedział Christian Wittweg, doktorant na uniwersytecie w Münster w Niemczech, który od pół dekady współpracuje z tak zwaną współpracą ksenonową, idąc do pracy każdego dnia ma wrażenie, że „składa wizytę złoczyńcy Bonda”. Do tej pory badacze zamieszkujący góry nie uchwycili żadnej ciemnej materii. Ale ostatnio udało im się wykryć jedną z najrzadszych interakcji cząstek we wszechświecie.
Według nowego badania opublikowanego dzisiaj (24 kwietnia) w czasopiśmie Nature zespół ponad 100 badaczy po raz pierwszy zmierzył rozpad atomu ksenonu-124 na atom telluru 124 w niezwykle rzadkim procesie o nazwie przechwytywanie podwójnych elektronów z dwoma neutrinami. Ten rodzaj rozpadu radioaktywnego występuje, gdy jądro atomu absorbuje jednocześnie dwa elektrony z zewnętrznej powłoki elektronowej, uwalniając w ten sposób podwójną dawkę upiornych cząstek zwanych neutrinami.
Mierząc po raz pierwszy ten wyjątkowy rozpad w laboratorium, naukowcy byli w stanie dokładnie udowodnić, jak rzadka jest reakcja i jak długo ksenon-124 potrzebuje rozpadu. Okres półtrwania ksenonu-124 - to znaczy średni czas wymagany dla grupy atomów ksenonu-124 do zmniejszenia o połowę - wynosi około 18 trylionów lat (1,8 x 10 ^ 22 lata), około 1 bilion razy obecny wiek Wszechświata.
Wittweg dodał, że oznacza to najdłuższy okres półtrwania mierzony bezpośrednio w laboratorium. Tylko jeden proces rozpadu jądrowego we wszechświecie ma dłuższy okres półtrwania: rozpad telluru-128, który ma okres półtrwania ponad 100 razy dłuższy niż ksenon-124. Ale to niezwykle rzadkie zdarzenie zostało obliczone tylko na papierze.
Cenny rozkład
Podobnie jak w przypadku bardziej powszechnych form rozpadu radioaktywnego, wychwytywanie podwójnych elektronów z dwoma neutrinami zachodzi, gdy atom traci energię, gdy zmienia się stosunek protonów i neutronów w jądrze atomowym. Jednak proces ten jest znacznie bardziej złożony niż w przypadku bardziej powszechnych trybów rozpadu i zależy od serii „gigantycznych zbiegów okoliczności”, powiedział Wittweg. Posługiwanie się dosłownie tonami atomów ksenonów sprawiło, że prawdopodobieństwo wystąpienia tych zbieżności stało się znacznie bardziej prawdopodobne.
Oto jak to działa: Wszystkie atomy ksenonu-124 są otoczone 54 elektronami, wirującymi w zamglonych skorupach wokół jądra. Wychwytywanie podwójnych elektronów z dwoma neutrinami zachodzi, gdy dwa z tych elektronów w skorupkach blisko jądra jednocześnie migrują do jądra, rozbijając się na jedno protony i przekształcając je w neutrony. Jako produkt uboczny tej konwersji jądro wypluwa dwa neutrina, nieuchwytne cząsteczki subatomowe bez ładunku i praktycznie bez masy, która prawie nigdy nie wchodzi w interakcje z niczym.
Te neutrina odlatują w kosmos, a naukowcy nie mogą ich zmierzyć, dopóki nie użyją wyjątkowo wrażliwego sprzętu. Aby udowodnić, że miało miejsce zdarzenie wychwytywania podwójnego elektronu z dwoma neutrinami, badacze ksenonowi zamiast tego spojrzeli na puste przestrzenie pozostawione w rozkładającym się atomie.
„Po przechwyceniu elektronów przez jądro w powłoce atomowej pozostały dwa wolne miejsca” - powiedział Wittweg. „Te wolne miejsca są wypełnione wyższymi powłokami, co tworzy kaskadę elektronów i promieni rentgenowskich”.
Promieniowanie rentgenowskie gromadzi energię w detektorze, co naukowcy wyraźnie widzą w swoich danych eksperymentalnych. Po rocznych obserwacjach zespół wykrył blisko 100 przypadków atomów ksenonu-124 rozpadających się w ten sposób, co stanowi pierwszy bezpośredni dowód tego procesu.
To nowe wykrycie drugiego najrzadszego procesu rozpadu we wszechświecie nie przybliża zespołu ksenonów do znalezienia ciemnej materii, ale dowodzi wszechstronności detektora. Kolejnym krokiem w eksperymentach zespołu jest zbudowanie jeszcze większego zbiornika ksenonowego - tego, który może pomieścić ponad 8,8 tony (8 000 kg) cieczy - aby zapewnić jeszcze więcej możliwości wykrywania rzadkich interakcji, powiedział Wittweg.
