Adânc în interiorul unui munte din Italia centrală, oamenii de știință pun o capcană pentru materia întunecată. Momeala? Un rezervor metalic mare, plin cu 3,5 tone (3.200 kilograme) de xenon lichid pur. Acest gaz nobil este una dintre cele mai curate substanțe rezistente la radiații de pe Pământ, ceea ce îl face o țintă ideală pentru captarea unora dintre cele mai rare interacțiuni de particule din univers.
Totul sună vag sinistru; a spus Christian Wittweg, candidat la doctorat la Universitatea din Münster din Germania, care a lucrat cu așa-numita colaborare Xenon timp de o jumătate de deceniu, mergând la muncă în fiecare zi se simte ca „să-i facă o vizită unui răufăcător”. Până în prezent, cercetătorii din zonele montane nu au capturat nicio materie întunecată. Dar recent au reușit să detecteze una dintre cele mai rare interacțiuni de particule din univers.
Potrivit unui nou studiu publicat astăzi (24 aprilie) în revista Nature, echipa a peste 100 de cercetători a măsurat, pentru prima dată, decăderea unui atom de xenon-124 într-un atom de tellurium 124 printr-un proces extrem de rar numit. capturarea a doi electroni cu doi neutrini. Acest tip de descompunere radioactivă are loc atunci când nucleul unui atom absoarbe doi electroni din carcasa sa electronică exterioară simultan, eliberând astfel o doză dublă de particule fantomă numite neutrino.
Măsurând pentru prima dată această degradare unică într-un laborator, cercetătorii au putut dovedi cu exactitate cât de rară este reacția și cât durează xenon-124 pentru a se descompune. Timpul de înjumătățire al xenon-124 - adică timpul mediu necesar pentru ca un grup de atomi de xenon-124 să se diminueze la jumătate - este de aproximativ 18 ani de sextilion (1,8 x 10 ^ 22 ani), aproximativ 1 trilion de ori de vârsta actuală a universului.
Acest lucru marchează cea mai lungă perioadă de înjumătățire lungă, măsurată direct într-un laborator, a adăugat Wittweg. Doar un singur proces de descompunere nucleară în univers are o durată de înjumătățire mai lungă: degradarea telurului-128, care are un timp de înjumătățire de peste 100 de ori mai lung decât cel al xenon-124. Dar acest eveniment extrem de rar a fost calculat doar pe hârtie.
O scădere prețioasă
La fel ca în cazul formelor mai des întâlnite de descompunere radioactivă, captarea de doi electroni cu doi neutrini are loc atunci când un atom pierde energie pe măsură ce raportul protonilor și neutronilor din nucleul atomic se schimbă. Cu toate acestea, procesul este mult mai scobitor decât modurile de descompunere mai obișnuite și depinde de o serie de „coincidențe gigantice”, a spus Wittweg. Dacă aveți tone de atomi de xenon cu care să lucrați, șansele acestor coincidențe s-au aliniat mult mai probabil.
Iată cum funcționează: Toți atomii de xenon-124 sunt înconjurați de 54 de electroni, care se învârt în cochilii hazloase din jurul nucleului. Capturarea cu doi electroni cu doi neutrini are loc atunci când doi dintre acei electroni, în cochilii apropiate de nucleu, migrează simultan în nucleu, prăbușindu-se într-un singur proton și transformând acei protoni în neutroni. Ca produs secundar al acestei conversii, nucleul scuipă doi neutrini, particule subatomice evazive, fără nicio încărcare și practic nicio masă care aproape niciodată nu interacționează cu nimic.
Acei neutrini se zboară în spațiu, iar oamenii de știință nu le pot măsura decât dacă folosesc echipamente extrem de sensibile. Pentru a demonstra că a avut loc un eveniment de captare a doi electroni cu doi neutrini, cercetătorii Xenon au privit în schimb spațiile goale rămase în urmă în atomul în descompunere.
"După ce electronii sunt prinși de nucleu, mai rămân două locuri libere în carcasa atomică", a spus Wittweg. „Locurile de muncă vacante sunt completate de coji mai mari, ceea ce creează o cascadă de electroni și raze X”.
Aceste raze X depun energie în detector, pe care cercetătorii le pot vedea clar în datele lor experimentale. După un an de observații, echipa a detectat aproape 100 de cazuri de atomi de xenon-124 în decădere, oferind primele dovezi directe ale procesului.
Această nouă detectare a celui mai rar proces de descompunere din univers nu pune echipa Xenon mai aproape de găsirea materiei întunecate, dar dovedește versatilitatea detectorului. Următorul pas în experimentele echipei constă în construirea unui rezervor de xenon și mai mare - acesta capabil să dețină mai mult de 8,8 tone (8.000 kg) de lichid - pentru a oferi și mai multe oportunități de detectare a interacțiunilor rare, a spus Wittweg.
