Głęboko pod włoskim zboczem góry, gigantyczny detektor wypełniony tonami ciekłego ksenonu szuka ciemnej materii – cząstek tajemniczej substancji, której efekty możemy obserwować we wszechświecie, ale której nikt nigdy nie zaobserwował bezpośrednio. Po drodze jednak, detektor złapał innego naukowego jednorożca: rozpad atomów ksenonu-124 – najrzadszy proces, jaki kiedykolwiek zaobserwowano we wszechświecie.
Wyniki eksperymentu XENON1T, którego współautorami są naukowcy z Uniwersytetu w Chicago i które zostały opublikowane 25 kwietnia w czasopiśmie Nature, dokumentują najdłuższy okres połowicznego rozpadu we wszechświecie – i mogą pomóc naukowcom w poszukiwaniu innego tajemniczego procesu, który jest jedną z największych zagadek fizyki cząstek elementarnych.
Nie wszystkie atomy są stabilne. W zależności od ich budowy, niektóre stabilizują się poprzez uwalnianie cząstek subatomowych i przekształcanie się w atom innego pierwiastka – proces zwany rozpadem promieniotwórczym.
Jesteśmy o wiele bardziej zaznajomieni z pierwiastkami promieniotwórczymi, takimi jak uran i pluton – są to dzikie nastolatki pierwiastków promieniotwórczych, nieustannie wyrzucające cząstki. Radon-222, na przykład, ma okres połowicznego rozpadu wynoszący zaledwie cztery dni. Niektóre pierwiastki jednak rozpadają się bardzo, bardzo powoli. Ksenon-124 jest jednym z takich starszych mężów stanu: jego okres połowicznego rozpadu jest bilion razy dłuższy niż wiek wszechświata, i jako taki, szansa na wykrycie jego rozpadu jest bardzo mała.
„To najdłuższy okres życia, jaki kiedykolwiek bezpośrednio zmierzyliśmy”, powiedział Luca Grandi, asystent profesora fizyki na Uniwersytecie w Chicago i współautor badania. „Jego detekcja była możliwa tylko dzięki ogromnemu wysiłkowi, jaki zespół włożył w uczynienie z XENON1T detektora o bardzo niskim tle. To sprawiło, że detektor jest idealny do poszukiwań rzadkich zdarzeń, takich jak detekcja ciemnej materii, dla której został zaprojektowany, jak również innych nieuchwytnych procesów.”
Grandi jest jednym z naukowców, którzy pracowali nad detektorem XENON1T, niezwykle czułym urządzeniem umieszczonym prawie milę pod powierzchnią gór Gran Sasso we Włoszech. Głębokość i gigantyczny basen wodny, w którym zanurzony jest detektor, chronią go przed fałszywymi alarmami pochodzącymi od promieni kosmicznych i innych zjawisk, gdy poszukuje dowodów na istnienie cząstki zwanej „WIMP”, jednego z proponowanych kandydatów na ciemną materię.
Detektor XENON1T wypełniony jest trzema tonami ksenonu, który jest chłodzony do temperatury minus 140 stopni Fahrenheita i stale oczyszczany (nawet kilka atomów złuszczających się z metalowych ścianek pojemnika mogłoby zakłócić pomiary). Detektor, który Grandi i zespół z UChicago pomogli opracować, zbudować i obsługiwać, wykrywa błyski światła, które powstają, gdy cząstka uderza w atom ksenonu.
Detektor XENON1T jest zoptymalizowany do wykrywania bardzo rzadkich procesów, ponieważ oczekuje się, że cząstki ciemnej materii bardzo rzadko oddziałują ze zwykłą materią. Może on jednak odbierać również inne sygnały: w tym przypadku ślady wytwarzane podczas rozpadu atomów ksenonu-124 wewnątrz detektora. Wewnątrz detektora znajduje się tyle atomów ksenonu-124, że w ciągu roku, w którym XENON1T zbierał dane, zaobserwowano to 126 razy.
Dane te pomogły zespołowi dokonać pierwszego ostatecznego pomiaru czasu połowicznego rozpadu ksenonu-124: 18 miliardów bilionów lat.
Ten proces rozpadu nazywa się podwójnym wychwytem elektronu przez dwa neutrina. Zachodzi on, gdy dwa protony w jądrze ksenonu jednocześnie pochłaniają elektron z powłoki atomowej i emitują neutrino – zamieniając oba protony w neutrony.
Jest to ściśle związane z innym procesem, który intryguje fizyków, zwanym procesem podwójnego rozpadu beta. „Gdyby naukowcy zaobserwowali pozbawioną neutrina wersję podwójnego rozpadu beta, wiedzielibyśmy, że neutrino jest swoją własną antycząstką” – powiedział Grandi. Jeśli tak, wymagałoby to od fizyków zrewidowania ich wyobrażenia o tym, jak działa wszechświat – i mogłoby nawet otworzyć drzwi do niektórych fundamentalnych pytań, jak to, dlaczego we wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii.
Jeszcze nikt nie był w stanie zaobserwować takiego zdarzenia, ale pomiar rozpadu ksenonu-124 daje naukowcom informacje o tym, jak go szukać – przybijając parametry modeli naukowców i zmniejszając szansę na błędy w technice, której używają do poszukiwania bezneutrinowych podwójnych rozpadów beta.
„Poza ograniczeniem modeli jądrowych dla poszukiwań podwójnego beta, to odkrycie mówi nam, że może być możliwe użycie przyszłych masywnych detektorów ksenonowych do poszukiwania bezneutrinowych podwójnych wychwytów elektronów – jeszcze rzadszego wariantu, który, jeśli zostanie wykryty, powie nam również o naturze neutrin,” powiedział Grandi.
Detektor XENON1T jest obecnie modernizowany w celu zwiększenia jego czułości; planowane jest ponowne rozpoczęcie zbierania danych pod koniec tego roku jako XENONnT, z trzykrotnie większą ilością ksenonu i o rząd wielkości większą czułością.
Pozostali naukowcy z UChicago pracujący nad tym dokumentem to badacz podoktorski Jacques Pienaar; studenci Evan Shockley, Nicholas Upole i Katrina Miller; badacz podoktorski Christopher Tunnell (obecnie na Rice University); oraz badacz danych Benedikt Riedel (obecnie na University of Wisconsin-Madison).
Cytat: „First observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T”. Aprile et al, Nature, April 24, 2019.
Fundacje: National Science Foundation, Swiss National Science Foundation, niemieckie Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych, Max Planck Gesellschaft, German Research Foundation, 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 oraz Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.