Дълбоко в една планина в централна Италия, учените поставят капан за тъмна материя. Примамката? Голям метален резервоар, пълен с 3,5 тона (3200 килограма) чист течен ксенон. Този благороден газ е едно от най-чистите и устойчиви на радиация вещества на Земята, което го прави идеална цел за улавяне на някои от най-редките взаимодействия на частици във Вселената.
Всичко това звучи смътно зловещо; заяви Кристиан Витвег, докторски кандидат в университета в Мюнстер в Германия, който работи с т. нар. сътрудничество на Ксенон от половин десетилетие, като всеки ден работи, като че ли „плаща на посещение на злодея на Бонд“. Досега изследователите на планинските обитатели не са заснели никаква тъмна материя. Но наскоро те успяха да открият едно от най-редките взаимодействия на частиците във Вселената.
Според ново проучване, публикувано днес (24 април) в списание Nature, екипът от над 100 изследователи измерва за първи път разпад на ксенон-124 атом в атом на телур 124 чрез изключително рядък процес, наречен двойно улавяне на електрони с две неутрино. Този тип радиоактивен разпад възниква, когато ядрото на атома абсорбира едновременно два електрона от външната му електронна обвивка, като по този начин освобождава двойна доза от призрачните частици, наречени неутрино.
Чрез измерването на този уникален разпад в лаборатория за първи път изследователите успяха да докажат точно колко рядка е реакцията и колко време отнема ксенон-124, за да се разпадне. Полуживотът на ксенон-124 - тоест средното време, необходимо за групата ксенон-124 атоми да намалее наполовина - е около 18 секстилионни години (1,8 х 10 ^ 22 години), приблизително 1 трилион пъти повече от сегашната възраст на Вселената.
Това бележи единствения най-дълъг полуживот, който някога е бил пряко измерен в лаборатория, добави Витвег. Само един процес на разпад на ядрената енергия във Вселената има по-дълъг полуживот: разпад на телур-128, който има период на полуразпад повече от 100 пъти по-дълъг от този на ксенон-124. Но това изчезващо рядко събитие е изчислено само на хартия.
Ценен разпад
Както при по-често срещаните форми на радиоактивен разпад, двойно улавяне на два неутрино електрона възниква, когато един атом загуби енергия, тъй като съотношението на протони и неутрони в атомното ядро се променя. Процесът обаче е много по-причудлив от по-често срещаните режими на разпад и зависи от поредица от "гигантски съвпадения", каза Витвег. Възможността за работа с буквални тонове ксенонови атоми направи шансовете на тези съвпадения да се окажат много по-вероятни.
Ето как работи: Всички ксенон-124 атоми са заобиколени от 54 електрона, въртящи се в мъгляви черупки около ядрото. Дву-неутрино двойно-електронно улавяне се случва, когато два от тези електрони, в черупки, близки до ядрото, едновременно мигрират в ядрото, катастрофирайки в една протонна част и превръщайки тези протони в неутрони. Като страничен продукт на това преобразуване, ядрото изплюва две неутрино, неуловими субатомни частици без заряд и практически без маса, които почти никога не взаимодействат с нищо.
Тези неутрино излитат в космоса и учените не могат да ги измерят, ако не използват изключително чувствително оборудване. За да докажат, че се е случило събитие с двойно неутрино двойно улавяне на електрон, изследователите на Ксенон погледнаха към празните пространства, останали в разпадащия се атом.
"След като електроните се улавят от ядрото, в атомната обвивка са останали две свободни места", каза Витвег. "Тези свободни места са запълнени от по-високи черупки, което създава каскада от електрони и рентгенови лъчи."
Тези рентгенови лъчи депозират енергия в детектора, която изследователите ясно виждат в експерименталните си данни. След едногодишни наблюдения екипът откри близо 100 екземпляра ксенон-124 атома, разпадащи се по този начин, осигурявайки първите директни доказателства за процеса.
Това ново откриване на втория най-редък процес на гниене във Вселената не сближава екипа на Xenon с намирането на тъмна материя, но наистина доказва универсалността на детектора. Следващата стъпка в експериментите на екипа включва изграждането на още по-голям ксенонов резервоар - този способен да побере над 8,8 тона (8 000 кг) течност - за да предостави още повече възможности за откриване на редки взаимодействия, заяви Витвег.
