Dybt under en italiensk bjergside har en gigantisk detektor fyldt med tonsvis af flydende xenon ledt efter mørkt stof – partikler af et mystisk stof, hvis virkninger vi kan se i universet, men som ingen nogensinde har observeret direkte. Undervejs fangede detektoren imidlertid en anden videnskabelig enhjørning: henfaldet af xenon-124-atomer – den sjældneste proces, der nogensinde er observeret i universet.
Resultaterne fra XENON1T-eksperimentet, som forskere fra University of Chicago er medforfattere til, og som blev offentliggjort den 25. april i tidsskriftet Nature, dokumenterer den længste halveringstid i universet – og kan måske hjælpe forskerne med at gå på jagt efter en anden mystisk proces, som er et af partikelfysikkens store mysterier.
Når alle atomer er stabile. Afhængigt af deres sammensætning vil nogle stabilisere sig selv ved at frigive subatomare partikler og blive til et atom af et andet grundstof – en proces, der kaldes radioaktivt henfald.
Vi er meget mere bekendt med radioaktive grundstoffer som uran og plutonium – det er de radioaktive grundstoffers vilde teenagere, der konstant slynger partikler ud. Radon-222 har f.eks. en halveringstid på kun fire dage. Nogle grundstoffer henfalder imidlertid meget, meget langsomt. Xenon-124 er en sådan ældre mand: Dets halveringstid er en billion gange længere end universets alder, og derfor er chancen for at opdage dets henfald meget lille.
“Det er den længste levetid, som vi nogensinde har målt direkte,” siger Luca Grandi, assisterende professor i fysik ved University of Chicago og medforfatter til undersøgelsen. “Dens detektion var kun mulig takket være den enorme indsats, som samarbejdet har gjort for at gøre XENON1T til en ultra-lav baggrundsdetektor. Det gjorde detektoren ideel til søgning efter sjældne hændelser som f.eks. påvisning af mørkt stof, som den blev designet til, samt andre flygtige processer.”
Grandi er en af de forskere, der arbejdede på XENON1T-detektoren, en ekstremt følsom maskine, der er gemt næsten en kilometer under overfladen af Gran Sasso-bjergene i Italien. Dybden og det gigantiske vandbassin, som detektoren er nedsænket i, beskytter detektoren mod falske alarmer fra kosmisk stråling og andre fænomener, mens den søger efter beviser for en partikel kaldet en “WIMP”, en foreslået kandidat til mørkt stof.
XENON1T-detektoren er fyldt med tre tons xenon, som holdes nedkølet til minus 140 grader Fahrenheit og konstant renses (selv nogle få atomer, der skaller af beholderens metalsider, kan forstyrre målingerne). Detektoren, som Grandi og UChicago-holdet har været med til at udvikle, bygge og drive, detekterer de lysglimt, der opstår, når en partikel rammer et xenonatom.
XENON1T-detektoren er optimeret til at detektere meget sjældne processer, da mørkt stof-partikler forventes at interagere meget sjældent med almindeligt stof. Men den kan også opfange andre signaler: i dette tilfælde de spor, der dannes, når xenon-124-atomer henfalder inde i detektoren. Der er nok atomer af xenon-124 inde i detektoren til, at dette blev observeret 126 gange i det år, hvor XENON1T tog data.
Dataene hjalp samarbejdet med at foretage den første endelige måling af xenon-124’s halveringstid: 18 milliarder billioner år.
Denne henfaldsproces kaldes to-neutrinos dobbelt elektronindfangning. Den sker, når to protoner i xenonkernen hver på samme tid absorberer en elektron fra atomskallen og udsender en neutrino – hvorved begge protoner omdannes til neutroner.
Dette er nært beslægtet med en anden proces, der fascinerer fysikere, kaldet dobbelt beta-henfaldsprocessen. “Hvis forskerne observerede en neutrino-fri version af dobbelt beta-henfaldet, ville vi vide, at en neutrino er sin egen antipartikel,” sagde Grandi. Hvis det var tilfældet, ville det kræve, at fysikerne skulle revidere deres billede af, hvordan universet fungerer – og det kunne endda åbne døren til nogle fundamentale spørgsmål, som f.eks. hvorfor der er mere stof end antistof i universet.
Ingen har endnu været i stand til at observere en sådan begivenhed, men xenon-124-henfaldsmålingerne giver forskerne oplysninger om, hvordan de skal lede efter det – ved at fastnagle parametrene i forskernes modeller og reducere risikoen for fejl fra den teknik, de bruger til at lede efter neutrino-løse dobbelt-beta-henfald.
“Ud over at begrænse de nukleare modeller for dobbelt-beta-søgning fortæller denne opdagelse os, at det måske er muligt at bruge fremtidige massive xenon-detektorer til at søge efter neutrinoløse dobbelt-elektronindfangninger – en endnu sjældnere variant, som, hvis den blev opdaget, også ville fortælle os om neutrinoernes natur,” siger Grandi.
XENON1T-detektoren er i øjeblikket ved at blive opgraderet for at øge sin følsomhed; det er planen, at den igen skal begynde at indsamle data sidst på året som XENONnT, med tre gange så meget xenon og en størrelsesorden større følsomhed.
De andre forskere fra UChicago, der har medvirket i artiklen, var postdoc Jacques Pienaar, ph.d.-studerende Evan Shockley, Nicholas Upole og Katrina Miller, postdoc Christopher Tunnell (nu ved Rice University) og dataforsker Benedikt Riedel (nu ved University of Wisconsin-Madison).
Citation: “Første observation af dobbelt elektronindfangning af to-neutrinoer i 124Xe med XENON1T.” Aprile et al, Nature, 24. april 2019.
Funding: Forskningsfond: National Science Foundation, Swiss National Science Foundation, det tyske ministerium for uddannelse og forskning, 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 og Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.