Mélyen egy olasz hegyoldal alatt egy folyékony xenonnal teli óriás detektor keresi a sötét anyagot – egy olyan titokzatos anyag részecskéit, amelynek hatásait láthatjuk az univerzumban, de amelyet még senki sem figyelt meg közvetlenül. Útközben azonban a detektor egy másik tudományos egyszarvút is elkapott: a xenon-124 atomjainak bomlását – a világegyetemben valaha megfigyelt legritkább folyamatot.
A XENON1T kísérlet eredményei, amelyeket a Chicagói Egyetem tudósai közösen írtak és április 25-én a Nature folyóiratban publikáltak, a világegyetem leghosszabb felezési idejét dokumentálják – és talán segíthetnek a tudósoknak egy másik rejtélyes folyamat után kutatni, amely a részecskefizika egyik nagy rejtélye.
Nem minden atom stabil. Felépítésüktől függően egyesek úgy stabilizálják magukat, hogy szubatomi részecskéket szabadítanak fel, és egy másik elem atomjává alakulnak – ezt a folyamatot nevezik radioaktív bomlásnak.
Sokkal jobban ismerjük az olyan radioaktív elemeket, mint az urán és a plutónium – ezek a radioaktív elemek vad tinédzserei, akik állandóan részecskéket dobálnak ki magukból. A radon-222 felezési ideje például mindössze négy nap. Néhány elem azonban nagyon-nagyon lassan bomlik. A xenon-124 egy ilyen idősebb államférfi: felezési ideje egy trilliószor hosszabb, mint az univerzum kora, és mint ilyen, a bomlásának kimutatására nagyon kicsi az esély.
“Ez a leghosszabb élettartam, amit valaha közvetlenül mértünk” – mondta Luca Grandi, a Chicagói Egyetem fizika adjunktusa és a tanulmány társszerzője. “Az észlelése csak annak a hatalmas erőfeszítésnek köszönhetően volt lehetséges, amelyet a kollaboráció tett annak érdekében, hogy a XENON1T egy ultraalacsony hátterű detektor legyen. Ez tette a detektort ideálissá ritka események kereséséhez, mint például a sötét anyag kimutatásához – amelyre tervezték -, valamint más megfoghatatlan folyamatokhoz.”
Grandi egyike azoknak a tudósoknak, akik a XENON1T detektoron dolgoztak, egy rendkívül érzékeny berendezésen, amely közel egy mérfölddel az olaszországi Gran Sasso hegység felszíne alatt van elrejtve. A mélység és az óriási vízmedence, amelyben a detektor elmerül, megvédi a detektort a kozmikus sugárzásból és más jelenségekből származó hamis riasztásoktól, miközben a “WIMP” nevű részecske – a sötét anyag egyik javasolt jelöltje – bizonyítékait keresi.
A XENON1T detektort három tonna xenonnal töltik meg, amelyet mínusz 140 Fahrenheit-fokra hűtenek és folyamatosan tisztítanak (a tartály fém oldalairól leváló néhány atom is megzavarhatja a méréseket). A detektor, amelynek kifejlesztésében, megépítésében és üzemeltetésében Grandi és a UChicago-i csapat segített, fényvillanásokat érzékel, amelyek azután keletkeznek, hogy egy részecske becsapódik egy xenonatomba.
A XENON1T detektort nagyon ritka folyamatok kimutatására optimalizálták, mivel a sötét anyag részecskéi várhatóan nagyon ritkán lépnek kölcsönhatásba a közönséges anyaggal. De más jeleket is képes érzékelni: ebben az esetben a detektoron belül a xenon-124 atomok bomlásakor keletkező nyomokat. A detektor belsejében annyi xenon-124 atom van, hogy ezt 126 alkalommal figyelték meg abban az évben, amikor a XENON1T adatokat vett fel.
Az adatok segítségével a kollaboráció először mérte meg véglegesen a xenon-124 felezési idejét: 18 milliárd trillió év.
Ezt a bomlási folyamatot két neutrínó kettős elektron befogásának nevezik. Ez akkor történik, amikor a xenonmagban lévő két proton egyidejűleg elnyel egy-egy elektront az atommaghéjból, és egy neutrínót bocsát ki – mindkét proton neutronokká alakul át.
Ez szorosan kapcsolódik egy másik, a fizikusokat izgató folyamathoz, az úgynevezett kettős béta-bomláshoz. “Ha a tudósok megfigyelnék a kettős béta-bomlás neutrínó nélküli változatát, akkor tudnánk, hogy a neutrínó a saját antirészecskéje” – mondta Grandi. Ha ez így lenne, akkor a fizikusoknak felül kellene vizsgálniuk a világegyetem működéséről alkotott képüket – és ez még néhány alapvető kérdésre is ajtót nyithatna, például arra, hogy miért van több anyag, mint antianyag a világegyetemben.”
Egy ilyen eseményt még senkinek sem sikerült megfigyelnie, de a xenon-124 bomlás mérése információt ad a tudósoknak arról, hogyan keressék azt – leszögezve a tudósok modelljeinek paramétereit és csökkentve a hiba esélyét a neutrínó nélküli kettős béta-bomlás keresésére használt technikából.
“A kettős béta-bomlások kereséséhez használt nukleáris modellek megszorításán túl ez a felfedezés azt is elárulja, hogy a jövőbeni masszív xenon detektorok segítségével neutrinó nélküli kettős elektronbefogások után kutathatunk – ez egy még ritkább változat, amelynek észlelése esetén a neutrínók természetéről is megtudhatnánk valamit” – mondta Grandi.
A XENON1T detektor jelenleg az érzékenységét növelő frissítésen esik át; a tervek szerint az év végén XENONnT néven, háromszor annyi xenonnal és nagyságrenddel nagyobb érzékenységgel újraindítja az adatgyűjtést.
Az UChicago többi tudósa Jacques Pienaar posztdoktori kutató, Evan Shockley, Nicholas Upole és Katrina Miller végzős hallgatók, Christopher Tunnell posztdoktori kutató (jelenleg a Rice Egyetemen) és Benedikt Riedel adattudós (jelenleg a Wisconsin-Madison Egyetemen) voltak a tanulmányban.
Cit: “Két neutrínó kettős elektron befogásának első megfigyelése 124Xe-ben a XENON1T-vel”. Aprile et al, Nature, 2019. április 24.
Finanszírozás: Nemzeti Tudományos Alapítvány, Svájci Nemzeti Tudományos Alapítvány, Német Oktatási és Kutatási Minisztérium, Max Planck Gesellschaft, Német Kutatási Alapítvány, Holland Tudományos Kutatási Szervezet, 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 és Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.