Diep onder een Italiaanse berghelling heeft een reusachtige detector gevuld met tonnen vloeibaar xenon gezocht naar donkere materie-deeltjes van een mysterieuze stof waarvan we de effecten in het heelal kunnen zien, maar die niemand ooit rechtstreeks heeft waargenomen. Onderweg heeft de detector echter een andere wetenschappelijke eenhoorn gevangen: het verval van atomen xenon-124 – het zeldzaamste proces dat ooit in het heelal is waargenomen.
De resultaten van het XENON1T-experiment, mede geschreven door wetenschappers van de Universiteit van Chicago en gepubliceerd op 25 april in het tijdschrift Nature, documenteren de langste halveringstijd in het heelal – en kunnen wetenschappers misschien helpen bij de jacht op een ander mysterieus proces dat een van de grote mysteries van de deeltjesfysica is.
Niet alle atomen zijn stabiel. Afhankelijk van hun samenstelling, zullen sommige zich stabiliseren door subatomaire deeltjes vrij te geven en te veranderen in een atoom van een ander element – een proces dat radioactief verval wordt genoemd.
We zijn veel meer bekend met radioactieve elementen zoals uranium en plutonium – dit zijn de wilde tieners van radioactieve elementen, die voortdurend deeltjes wegslingeren. Radon-222, bijvoorbeeld, heeft een halveringstijd van slechts vier dagen. Sommige elementen vervallen echter zeer, zeer langzaam. Xenon-124 is zo’n oudere staatsman: zijn halfwaardetijd is een triljoen keer langer dan de leeftijd van het heelal, en als zodanig is de kans om zijn verval te detecteren zeer klein.
“Dit is de langste levensduur die we ooit direct hebben gemeten,” zei Luca Grandi, assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Chicago en co-auteur van het onderzoek. “De detectie was alleen mogelijk dankzij de enorme inspanning die de samenwerking heeft geleverd om van XENON1T een detector met een ultralage achtergrond te maken. Dit maakt de detector ideaal voor het zoeken naar zeldzame gebeurtenissen, zoals de detectie van donkere materie, waarvoor hij is ontworpen, maar ook voor andere ongrijpbare processen.”
Grandi is een van de wetenschappers die aan de XENON1T-detector hebben gewerkt, een extreem gevoelige machine die bijna een mijl onder het oppervlak van de Gran Sasso bergen in Italië ligt. De diepte en het gigantische waterbad waarin de detector is ondergedompeld beschermen de detector tegen vals alarm afkomstig van kosmische straling en andere verschijnselen bij het zoeken naar bewijs voor een deeltje dat een “WIMP” wordt genoemd, een voorgestelde kandidaat voor donkere materie.
De XENON1T-detector is gevuld met drie ton xenon, dat wordt gekoeld tot min 140 graden Fahrenheit en voortdurend wordt gezuiverd (zelfs een paar atomen die van de metalen zijkanten van de container afschilferen, kunnen de metingen verstoren). De detector, die Grandi en het UChicago team hielpen ontwikkelen, bouwen en bedienen, detecteert lichtflitsen die worden geproduceerd nadat een deeltje een xenonatoom heeft geraakt.
De XENON1T detector is geoptimaliseerd om zeer zeldzame processen te detecteren, omdat verwacht wordt dat donkere materiedeeltjes zeer zelden met gewone materie interageren. Maar hij kan ook andere signalen opvangen: in dit geval de sporen die worden geproduceerd als atomen van xenon-124 in de detector vervallen. Er bevinden zich voldoende xenon-124-atomen in de detector om dit 126 keer waar te nemen in het jaar dat XENON1T gegevens verzamelde.
Dankzij deze gegevens kon de samenwerking de eerste definitieve meting van de halfwaardetijd van xenon-124 verrichten: 18 miljard triljoen jaar.
Dit vervalproces wordt “two-neutrino double electron capture” genoemd. Het gebeurt wanneer twee protonen in de xenon-kern elk tegelijkertijd een elektron uit de atoomschil absorberen en een neutrino uitzenden – waarbij beide protonen in neutronen worden omgezet.
Dit is nauw verwant aan een ander proces dat natuurkundigen intrigeert, het zogenaamde dubbel bèta-verval. “Als wetenschappers een neutrino-loze versie van dubbel bèta-verval zouden waarnemen, zouden we weten dat een neutrino zijn eigen antideeltje is,” zei Grandi. Als dat zo is, dan zouden natuurkundigen hun beeld van hoe het universum werkt moeten herzien – en het zou zelfs de deur kunnen openen naar een aantal fundamentele vragen, zoals waarom er meer materie dan antimaterie in het universum is.
Niemand is tot nu toe in staat geweest om zo’n gebeurtenis waar te nemen, maar de xenon-124 vervalmeting geeft wetenschappers informatie over hoe ze ernaar kunnen zoeken – door de parameters van de modellen van wetenschappers vast te spijkeren en de kans op fouten te verkleinen van de techniek die ze gebruiken om te zoeken naar neutrino-loos dubbel bèta-verval.
“Naast het beperken van de nucleaire modellen voor het zoeken naar dubbel bèta, vertelt deze ontdekking ons dat het misschien mogelijk is om toekomstige massieve xenondetectoren te gebruiken om te zoeken naar neutrinoloze dubbele elektronenvangsten – een nog zeldzamere variant die, indien ontdekt, ons ook de aard van neutrino’s zou vertellen,” zei Grandi.
De XENON1T-detector ondergaat momenteel een upgrade om de gevoeligheid te vergroten; het is de bedoeling dat hij eind dit jaar weer gegevens gaat verzamelen als XENONnT, met drie keer zoveel xenon en een orde van grootte meer gevoeligheid.
De andere UChicago wetenschappers op het papier waren postdoctoraal onderzoeker Jacques Pienaar; afgestudeerde studenten Evan Shockley, Nicholas Upole en Katrina Miller; postdoctoraal onderzoeker Christopher Tunnell (nu aan de Rice University); en data scientist Benedikt Riedel (nu aan de Universiteit van Wisconsin-Madison).
Citatie: “Eerste waarneming van twee-neutrino dubbele elektronenvangst in 124Xe met XENON1T.” Aprile et al, Nature, 24 april 2019.
Funding: National Science Foundation, de Zwitserse National Science Foundation, het Duitse Ministerie voor Onderwijs en Onderzoek, het Max Planck Gesellschaft, de Duitse Onderzoeksstichting, de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek, het NLeSC, het 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 en Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.