Syvällä italialaisen vuorenrannan alla tonneittain nestemäisellä ksenonilla täytetty jättimäinen ilmaisin on etsinyt pimeää ainetta – salaperäisen aineen hiukkasia, joiden vaikutuksen näemme maailmankaikkeudessa, mutta joita kukaan ei ole koskaan havainnut suoraan. Matkan varrella detektori sai kuitenkin kiinni toisen tieteellisen yksisarvisen: ksenon-124:n atomien hajoamisen – harvinaisimman koskaan maailmankaikkeudessa havaitun prosessin.
XENON1T-kokeen tulokset, jotka Chicagon yliopiston tiedemiehet ovat kirjoittaneet ja jotka julkaistiin 25. huhtikuuta Nature-lehdessä, dokumentoivat maailmankaikkeuden pisimmän puoliintumisajan – ja ne voivat auttaa tiedemiehiä metsästämään toista salaperäistä prosessia, joka on hiukkasfysiikan suurimpia mysteerejä.
Kaikkea atomeja ei ole pysyviä. Riippuen niiden koostumuksesta, jotkut vakautuvat vapauttamalla subatomisia hiukkasia ja muuttumalla toisen alkuaineen atomiksi – prosessia kutsutaan radioaktiiviseksi hajoamiseksi.
Meille ovat paljon tutumpia radioaktiiviset alkuaineet, kuten uraani ja plutonium – nämä ovat radioaktiivisten alkuaineiden villejä teinipoikia, jotka sinkoilevat jatkuvasti hiukkasia. Esimerkiksi radon-222:n puoliintumisaika on vain neljä päivää. Jotkin alkuaineet hajoavat kuitenkin hyvin, hyvin hitaasti. Ksenon-124 on tällainen vanhempi valtiomies: sen puoliintumisaika on triljoona kertaa pidempi kuin maailmankaikkeuden ikä, ja siksi mahdollisuus havaita sen hajoaminen on hyvin pieni.
”Tämä on pisin koskaan suoraan mittaamamme elinikä”, sanoo Luca Grandi, Chicagon yliopiston fysiikan apulaisprofessori ja tutkimuksen toinen kirjoittaja. ”Sen havaitseminen oli mahdollista vain niiden valtavien ponnistelujen ansiosta, joita yhteistyö teki tehdäkseen XENON1T:stä erittäin matalan taustan ilmaisimen. Tämä teki ilmaisimesta ihanteellisen harvinaisten tapahtumien etsintään, kuten pimeän aineen havaitsemiseen, jota varten se suunniteltiin, sekä muihin vaikeasti havaittaviin prosesseihin.”
Grandi on yksi tutkijoista, jotka työskentelivät XENON1T-ilmaisimen parissa, joka on äärimmäisen herkkä laite, joka on piilotettu lähes kilometrin päähän Gran Sasson vuoren pinnan alapuolelle Italiassa. Syvyys ja jättimäinen vesiallas, johon detektori on upotettu, suojaavat detektoria vääriltä hälytyksiltä, jotka johtuvat kosmisesta säteilystä ja muista ilmiöistä, kun sillä etsitään todisteita hiukkasesta nimeltä ”WIMP”, joka on yksi pimeän aineen ehdokkaaksi ehdotettu vaihtoehto.
XENON1T-detektori on täytetty kolmella tonnilla ksenonia, joka pidetään jäähdytettynä miinus 140 celsiusasteeseen Fahrenheitin lämpötilaan ja joka on koko ajan puhdistetussa tilassa (jopa muutama säiliön metallisista kyljistä irtoileva atomi saattaisi vääristää mittauksia). Detektori, jonka kehittämisessä, rakentamisessa ja käyttämisessä Grandi ja UChicagon ryhmä auttoivat, havaitsee valon välähdyksiä, jotka syntyvät hiukkasen osuttua ksenonatomiin.
XENON1T-detektori on optimoitu havaitsemaan hyvin harvinaisia prosesseja, sillä pimeän aineen hiukkasten odotetaan vuorovaikuttavan hyvin harvoin tavallisen aineen kanssa. Se voi kuitenkin havaita myös muita signaaleja: tässä tapauksessa jälkiä, joita syntyy, kun ksenon-124-atomit hajoavat ilmaisimen sisällä. Ilmaisimen sisällä on niin paljon ksenon-124-atomeja, että tämä havaittiin 126 kertaa sinä vuonna, jona XENON1T otti tietoja.
Tietojen avulla yhteistyö teki ensimmäisen lopullisen mittauksen ksenon-124:n puoliintumisajasta: 18 miljardia biljoonaa triljoonaa vuotta.
Tätä hajoamisprosessia kutsutaan kahden neutriinon kaksoiselektronin kaappaukseksi. Se tapahtuu, kun ksenonytimen kaksi protonia imevät kumpikin samanaikaisesti elektronin atomin kuoresta ja lähettävät neutriinon – jolloin molemmat protonit muuttuvat neutroneiksi.
Tämä liittyy läheisesti toiseen fyysikoita kiehtovaan prosessiin, jota kutsutaan kaksoisbeetahajoamiseksi. ”Jos tutkijat havaitsisivat neutriinottoman version kaksoisbeetahajoamisesta, tietäisimme, että neutriino on oma antihiukkasensa”, Grandi sanoi. Jos näin olisi, se vaatisi fyysikoita tarkistamaan käsitystään maailmankaikkeuden toiminnasta – ja voisi jopa avata oven joihinkin perustavanlaatuisiin kysymyksiin, kuten siihen, miksi maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta kuin antimateriaalia.
Kukaan ei ole vielä pystynyt havainnoimaan sellaista tapahtumaa, mutta ksenon-124:n hajoamismittaus antaa tutkijoille tietoa siitä, miten sitä pitäisi etsiä – se täsmentää tiedemiesten mallien parametreja ja pienentää virheiden mahdollisuutta tekniikassa, jota he käyttävät etsiessään neutriinottomia kaksoisbeeta-jakautumia.
”Sen lisäksi, että tämä löytö rajoittaa ydinmalleja kaksoisbeetahajontaa etsittäessä, se kertoo meille, että tulevilla massiivisilla ksenonilmaisimilla voisi olla mahdollista etsiä neutriinittömiä kaksoiselektronin kiinnittymiä – vieläkin harvinaisempaa muunnosta, joka havaitessaan kertoisi meille myös neutriinojen luonteen”, Grandi sanoi.
XENON1T-ilmaisinta päivitetään parhaillaan herkkyytensä lisäämiseksi; sen on tarkoitus aloittaa tietojen kerääminen uudelleen tämän vuoden lopulla nimellä XENONnT, jossa on kolme kertaa enemmän ksenonia ja kertaluokkaa suurempi herkkyys.
Muut UChicagon tutkijat, jotka osallistuivat artikkeliin, olivat postdoc-tutkija Jacques Pienaar, jatko-opiskelijat Evan Shockley, Nicholas Upole ja Katrina Miller, postdoc-tutkija Christopher Tunnell (nykyisin Ricen yliopistossa) ja datatutkija Benedikt Riedel (nykyisin Wisconsin-Madisonin yliopistossa).
Sitaatti: ”Ensimmäinen havainto kahden neutriinon kaksoiselektronin sieppauksesta 124Xe:ssä XENON1T:llä.” Aprile et al, Nature, 24. huhtikuuta 2019.
Rahoitus: Kansallinen tiedesäätiö, Sveitsin kansallinen tiedesäätiö, Saksan opetus- ja tutkimusministeriö, Max Planck Gesellschaft, Saksan tutkimussäätiö, Alankomaiden tieteellisen tutkimuksen järjestö, 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 ja Alice Wallenbergin säätiö, Kavli-säätiö, Abeloe Graduate Fellowship ja Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.