Hluboko pod italským svahem hledá obří detektor naplněný tunami kapalného xenonu temnou hmotu – částice záhadné látky, jejíž účinky můžeme ve vesmíru pozorovat, ale kterou ještě nikdo přímo nepozoroval. Cestou však detektor zachytil dalšího vědeckého jednorožce: rozpad atomů xenonu-124 – nejvzácnější proces, který byl kdy ve vesmíru pozorován.
Výsledky experimentu XENON1T, jehož spoluautory jsou vědci z Chicagské univerzity a které byly 25. dubna zveřejněny v časopise Nature, dokumentují nejdelší poločas rozpadu ve vesmíru – a možná pomohou vědcům pátrat po dalším záhadném procesu, který je jednou z největších záhad částicové fyziky.
Ne všechny atomy jsou stabilní. Některé se v závislosti na svém složení stabilizují tak, že uvolní subatomární částice a promění se v atom jiného prvku – tento proces se nazývá radioaktivní rozpad.
Daleko lépe známe radioaktivní prvky, jako je uran a plutonium – to jsou divocí teenageři mezi radioaktivními prvky, kteří neustále vrhají částice. Například radon-222 má poločas rozpadu pouhé čtyři dny. Některé prvky se však rozpadají velmi, velmi pomalu. Xenon-124 je jedním z nich: jeho poločas rozpadu je bilionkrát delší než stáří vesmíru, a proto je šance na detekci jeho rozpadu velmi malá.
„Je to nejdelší doba života, kterou jsme kdy přímo změřili,“ řekl Luca Grandi, docent fyziky na Chicagské univerzitě a spoluautor studie. „Jeho detekce byla možná jen díky obrovskému úsilí, které spolupráce vynaložila na to, aby se XENON1T stal detektorem s velmi nízkým pozadím. Díky tomu je detektor ideální pro hledání vzácných událostí, jako je detekce temné hmoty, pro kterou byl navržen, a také dalších nepolapitelných procesů.“
Grandi je jedním z vědců, kteří pracovali na detektoru XENON1T, extrémně citlivém zařízení ukrytém téměř kilometr pod povrchem pohoří Gran Sasso v Itálii. Tato hloubka a obrovský vodní bazén, v němž je detektor ponořen, chrání detektor před falešnými poplachy pocházejícími z kosmického záření a dalších jevů, protože hledá důkazy o existenci částic zvaných „WIMP“, což je jeden z navrhovaných kandidátů na temnou hmotu.
Detektor XENON1T je naplněn třemi tunami xenonu, který je chlazen na minus 140 stupňů Celsia a neustále čištěn (i několik atomů odlupujících se z kovových stěn nádoby by mohlo měření zkreslit). Detektor, který Grandi a tým z UChicaga pomáhali vyvinout, postavit a provozovat, detekuje záblesky světla, které vznikají po nárazu částice do atomu xenonu.
Detektor XENON1T je optimalizován pro detekci velmi vzácných procesů, protože se předpokládá, že částice temné hmoty interagují s běžnou hmotou velmi zřídka. Může však zachytit i jiné signály: v tomto případě stopy vznikající při rozpadu atomů xenonu-124 uvnitř detektoru. Uvnitř detektoru je dostatek atomů xenonu-124, takže během roku, kdy XENON1T pořizoval data, byl tento proces pozorován 126krát.
Data pomohla spolupráci provést první definitivní měření poločasu rozpadu xenonu-124: 18 miliard bilionů let.
Tento rozpadový proces se nazývá dvojitý záchyt elektronů dvěma neutriny. Dochází k němu, když dva protony v jádře xenonu pohltí každý současně jeden elektron z atomového obalu a vyzáří neutrino – oba protony se přemění na neutrony.
Tento proces úzce souvisí s jiným procesem, který zajímá fyziky a nazývá se dvojitý rozpad beta. „Kdyby vědci pozorovali verzi dvojitého rozpadu beta bez neutrin, věděli bychom, že neutrino je svou vlastní antičásticí,“ řekl Grandi. Pokud by se tak stalo, museli by fyzici přehodnotit svou představu o fungování vesmíru – a mohlo by to dokonce otevřít dveře k některým základním otázkám, například proč je ve vesmíru více hmoty než antihmoty.
Nikomu se zatím nepodařilo takovou událost pozorovat, ale měření rozpadu xenonu-124 dává vědcům informace o tom, jak ji hledat – upřesňuje parametry modelů vědců a snižuje pravděpodobnost chyb techniky, kterou používají k hledání bezneutrinových dvojitých rozpadů beta.
„Kromě omezení jaderných modelů pro hledání dvojitých rozpadů beta nám tento objev říká, že by mohlo být možné využít budoucí masivní detektory xenonu k hledání bezneutrinových dvojitých záchytů elektronů – což je ještě vzácnější varianta, která by nám v případě detekce také prozradila povahu neutrin,“ řekl Grandi.
Detektor XENON1T v současné době prochází modernizací, která má zvýšit jeho citlivost; plánuje se, že koncem letošního roku začne znovu přijímat data jako XENONnT s třikrát větším množstvím xenonu a řádově vyšší citlivostí.
Dalšími vědci z UChicago, kteří se na práci podíleli, byli postdoktorand Jacques Pienaar, postgraduální studenti Evan Shockley, Nicholas Upole a Katrina Miller, postdoktorand Christopher Tunnell (nyní působí na Rice University) a datový vědec Benedikt Riedel (nyní působí na University of Wisconsin-Madison).
Citace: „First observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T“. Aprile et al, Nature, 24. dubna 2019.
Financování: National Science Foundation, Swiss National Science Foundation, German Ministry for Education and Research, Max Planck Gesellschaft, German Research Foundation, Netherlands Organisation for Scientific Research, NLeSC, Weizmann Institute of Science, I-CORE, Pazy-Vatatat, Initial Training Network Invisibles, Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia, Region des Pays de la Loire, Knut and Alice Wallenberg Foundation, Kavli Foundation, Abeloe Graduate Fellowship a Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.