Nelle profondità di una montagna italiana, un rivelatore gigante riempito con tonnellate di xenon liquido ha cercato la materia oscura – particelle di una sostanza misteriosa i cui effetti possiamo vedere nell’universo, ma che nessuno ha mai osservato direttamente. Lungo la strada, però, il rivelatore ha catturato un altro unicorno scientifico: il decadimento di atomi di xeno-124, il processo più raro mai osservato nell’universo.
I risultati dell’esperimento XENON1T, di cui sono coautori gli scienziati dell’Università di Chicago e pubblicati il 25 aprile sulla rivista Nature, documentano l’emivita più lunga nell’universo e potrebbero aiutare gli scienziati a cercare un altro processo misterioso che è uno dei grandi misteri della fisica delle particelle.
Non tutti gli atomi sono stabili. A seconda della loro composizione, alcuni si stabilizzano rilasciando particelle subatomiche e trasformandosi in un atomo di un elemento diverso – un processo chiamato decadimento radioattivo.
Abbiamo molta più familiarità con elementi radioattivi come l’uranio e il plutonio – questi sono gli adolescenti selvaggi degli elementi radioattivi, che lanciano costantemente particelle. Il radon-222, per esempio, ha un’emivita di soli quattro giorni. Alcuni elementi, tuttavia, decadono molto, molto lentamente. Lo xeno-124 è uno di questi anziani: il suo tempo di dimezzamento è un trilione di volte più lungo dell’età dell’universo, e come tale, la possibilità di rilevare il suo decadimento è molto piccola.
“Questa è la vita più lunga che abbiamo mai misurato direttamente”, ha detto Luca Grandi, assistente professore di fisica all’Università di Chicago e co-autore dello studio. “Il suo rilevamento è stato possibile solo grazie all’enorme sforzo che la collaborazione ha fatto per rendere XENON1T un rivelatore a bassissimo fondo. Questo ha reso il rivelatore ideale per ricerche di eventi rari come la rilevazione della materia oscura – per la quale è stato progettato – così come altri processi elusivi.”
Grandi è uno degli scienziati che hanno lavorato sul rivelatore XENON1T, una macchina estremamente sensibile nascosta quasi un miglio sotto la superficie delle montagne del Gran Sasso in Italia. La profondità e la gigantesca piscina d’acqua in cui il rivelatore è immerso proteggono il rivelatore da falsi allarmi provenienti da raggi cosmici e altri fenomeni mentre cerca le prove di una particella chiamata “WIMP”, uno dei candidati proposti per la materia oscura.
Il rivelatore XENON1T è riempito con tre tonnellate di xeno, che è tenuto raffreddato fino a meno 140 gradi Fahrenheit e costantemente purificato (anche pochi atomi che si staccano dai lati metallici del contenitore potrebbero mandare in fumo le misure). Il rivelatore, che Grandi e il team di UChicago hanno contribuito a sviluppare, costruire e gestire, rileva i lampi di luce che vengono prodotti dopo che una particella colpisce un atomo di xeno.
Il rivelatore XENON1T è ottimizzato per rilevare processi molto rari, in quanto le particelle di materia oscura dovrebbero interagire molto raramente con la materia ordinaria. Ma può anche raccogliere altri segnali: in questo caso, le tracce prodotte quando gli atomi di xeno-124 decadono all’interno del rivelatore. Ci sono abbastanza atomi di xenon-124 all’interno del rivelatore che questo è stato osservato 126 volte nell’anno in cui XENON1T stava prendendo dati.
I dati hanno aiutato la collaborazione a fare la prima misura definitiva del tempo di dimezzamento dello xenon-124: 18 miliardi di trilioni di anni.
Questo processo di decadimento è chiamato cattura di elettroni doppi a due neutrini. Avviene quando due protoni nel nucleo dello xeno assorbono ciascuno simultaneamente un elettrone dal guscio atomico ed emettono un neutrino, convertendo entrambi i protoni in neutroni.
Questo è strettamente legato a un altro processo che intriga i fisici, chiamato processo di decadimento beta doppio. “Se gli scienziati osservassero una versione senza neutrini del doppio decadimento beta, sapremmo che un neutrino è la sua antiparticella”, ha detto Grandi. Se così fosse, richiederebbe ai fisici di rivedere la loro immagine di come funziona l’universo – e potrebbe anche aprire la porta ad alcune domande fondamentali, come il motivo per cui c’è più materia che antimateria nell’universo.
Nessuno è stato ancora in grado di osservare un tale evento, ma la misurazione del decadimento xenon-124 dà agli scienziati informazioni su come cercarlo – inchiodando i parametri dei modelli degli scienziati e riducendo la possibilità di errori dalla tecnica che usano per cercare decadimenti doppio beta senza neutrino.
“Oltre a vincolare i modelli nucleari per la ricerca di doppi beta, questa scoperta ci dice che potrebbe essere possibile utilizzare i futuri rivelatori di xeno massiccio per cercare catture di doppi elettroni senza neutrini – una variante ancora più rara che, se rilevata, ci direbbe anche la natura dei neutrini”, ha detto Grandi.
Il rivelatore XENON1T è attualmente in fase di aggiornamento per aumentare la sua sensibilità; si prevede di ricominciare a prendere dati alla fine di quest’anno come XENONnT, con tre volte più xeno e un ordine di grandezza più sensibilità.
Gli altri scienziati UChicago sulla carta erano ricercatore post-dottorato Jacques Pienaar; studenti laureati Evan Shockley, Nicholas Upole e Katrina Miller; ricercatore post-dottorato Christopher Tunnell (ora alla Rice University); e scienziato di dati Benedikt Riedel (ora presso l’Università del Wisconsin-Madison).
Citazione: “Prima osservazione della cattura di elettroni doppi a due neutrini in 124Xe con XENON1T”. Aprile et al, Nature, 24 aprile 2019.
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