Tief unter einem italienischen Berghang hat ein riesiger Detektor, der mit Tonnen von flüssigem Xenon gefüllt ist, nach dunkler Materie gesucht – nach Teilchen einer geheimnisvollen Substanz, deren Auswirkungen wir im Universum sehen können, die aber noch niemand direkt beobachtet hat. Auf dem Weg dorthin fing der Detektor jedoch ein weiteres wissenschaftliches Einhorn ein: den Zerfall von Xenon-124-Atomen – der seltenste Prozess, der jemals im Universum beobachtet wurde.
Die Ergebnisse des XENON1T-Experiments, die von Wissenschaftlern der University of Chicago mitverfasst und am 25. April in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurden, dokumentieren die längste Halbwertszeit im Universum – und könnten den Wissenschaftlern bei der Suche nach einem weiteren mysteriösen Prozess helfen, der eines der großen Rätsel der Teilchenphysik darstellt.
Nicht alle Atome sind stabil. Je nach ihrer Beschaffenheit stabilisieren sich einige, indem sie subatomare Teilchen freisetzen und sich in ein Atom eines anderen Elements verwandeln – ein Prozess, der radioaktiver Zerfall genannt wird.
Wir sind viel vertrauter mit radioaktiven Elementen wie Uran und Plutonium – das sind die wilden Teenager unter den radioaktiven Elementen, die ständig Teilchen abwerfen. Radon-222 zum Beispiel hat eine Halbwertszeit von nur vier Tagen. Einige Elemente zerfallen jedoch sehr, sehr langsam. Xenon-124 ist ein solcher „elder statesman“: Seine Halbwertszeit ist eine Billion Mal länger als das Alter des Universums, so dass die Chance, seinen Zerfall zu entdecken, sehr gering ist.
„Das ist die längste Lebensdauer, die wir je direkt gemessen haben“, sagt Luca Grandi, Assistenzprofessor für Physik an der Universität von Chicago und Mitautor der Studie. „Die Entdeckung war nur dank der enormen Anstrengungen möglich, die das Team unternommen hat, um XENON1T zu einem Detektor mit extrem niedrigem Hintergrund zu machen. Dies machte den Detektor ideal für die Suche nach seltenen Ereignissen wie dem Nachweis dunkler Materie, für den er entwickelt wurde, sowie für andere schwer fassbare Prozesse.“
Grandi ist einer der Wissenschaftler, die am XENON1T-Detektor gearbeitet haben, einem extrem empfindlichen Gerät, das fast eine Meile unter der Oberfläche des Gran-Sasso-Gebirges in Italien versteckt ist. Die Tiefe und das riesige Wasserbecken, in das der Detektor eingetaucht ist, schützen ihn vor Fehlalarmen durch kosmische Strahlung und andere Phänomene, während er nach Beweisen für ein „WIMP“ genanntes Teilchen sucht, einem vorgeschlagenen Kandidaten für dunkle Materie.
Der XENON1T-Detektor ist mit drei Tonnen Xenon gefüllt, das auf minus 140 Grad Celsius gekühlt und ständig gereinigt wird (schon ein paar Atome, die sich von den Metallseiten des Behälters lösen, könnten die Messungen verfälschen). Der Detektor, an dessen Entwicklung, Bau und Betrieb Grandi und das Team der UChicago mitgewirkt haben, erfasst Lichtblitze, die entstehen, wenn ein Teilchen auf ein Xenon-Atom trifft.
Der XENON1T-Detektor ist darauf optimiert, sehr seltene Prozesse zu erfassen, da erwartet wird, dass Teilchen der dunklen Materie nur sehr selten mit gewöhnlicher Materie wechselwirken. Aber er kann auch andere Signale auffangen: in diesem Fall die Spuren, die beim Zerfall von Xenon-124-Atomen innerhalb des Detektors entstehen. Im Detektor befinden sich genügend Xenon-124-Atome, so dass dies in dem Jahr, in dem XENON1T Daten aufnahm, 126 Mal beobachtet wurde.
Die Daten halfen der Kollaboration, die erste definitive Messung der Halbwertszeit von Xenon-124 vorzunehmen: 18 Milliarden Billionen Jahre.
Dieser Zerfallsprozess wird Zwei-Neutrino-Doppelelektroneneinfang genannt. Er findet statt, wenn zwei Protonen im Xenon-Kern gleichzeitig je ein Elektron aus der Atomhülle aufnehmen und ein Neutrino aussenden – und damit beide Protonen in Neutronen umwandeln.
Dies ist eng mit einem anderen Prozess verwandt, der Physiker fasziniert, dem so genannten doppelten Betazerfall. „Wenn die Wissenschaftler eine neutrinolose Version des doppelten Betazerfalls beobachten würden, wüssten wir, dass ein Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist“, so Grandi. Wenn dies der Fall wäre, müssten die Physiker ihr Bild davon, wie das Universum funktioniert, überdenken – und es könnte sogar die Tür zu einigen grundlegenden Fragen öffnen, etwa warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.
Bisher konnte noch niemand ein solches Ereignis beobachten, aber die Messung des Xenon-124-Zerfalls gibt den Wissenschaftlern Informationen darüber, wie sie danach suchen können – indem sie die Parameter der wissenschaftlichen Modelle festnageln und die Fehlerwahrscheinlichkeit der Technik verringern, die sie für die Suche nach neutrinolosen Doppelbetazerfällen verwenden.
„Abgesehen von der Einschränkung der nuklearen Modelle für die Suche nach doppelten Betazerfällen sagt uns diese Entdeckung, dass es möglich sein könnte, zukünftige massive Xenon-Detektoren für die Suche nach neutrinolosen doppelten Elektroneneinbrüchen zu verwenden – eine noch seltenere Variante, die, wenn sie entdeckt wird, uns auch die Natur der Neutrinos verraten würde“, sagte Grandi.
Der XENON1T-Detektor wird derzeit aufgerüstet, um seine Empfindlichkeit zu erhöhen; es ist geplant, die Datenaufnahme Ende dieses Jahres als XENONnT wieder aufzunehmen, mit dreimal so viel Xenon und einer um eine Größenordnung höheren Empfindlichkeit.
Die anderen UChicago-Wissenschaftler, die an der Studie mitgewirkt haben, waren der Postdoktorand Jacques Pienaar, die Doktoranden Evan Shockley, Nicholas Upole und Katrina Miller, der Postdoktorand Christopher Tunnell (jetzt an der Rice University) und der Datenwissenschaftler Benedikt Riedel (jetzt an der University of Wisconsin-Madison).
Zitat: „First observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T“. Aprile et al, Nature, April 24, 2019.
Finanzierung: National Science Foundation, Schweizerischer Nationalfonds, Bundesministerium für Bildung und Forschung, Max-Planck-Gesellschaft, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Netherlands Organisation for Scientific Research, NLeSC, Weizmann Institute of Science, I-CORE, Pazy-Vatat, 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 und Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.