În adâncul unui munte italian, un detector gigantic umplut cu tone de xenon lichid a căutat materie întunecată – particule ale unei substanțe misterioase ale cărei efecte le putem vedea în univers, dar pe care nimeni nu a observat-o vreodată în mod direct. Pe parcurs, însă, detectorul a surprins un alt unicorn științific: descompunerea atomilor de xenon-124 – cel mai rar proces observat vreodată în univers.
Rezultatele experimentului XENON1T, co-autorat de oamenii de știință de la Universitatea din Chicago și publicat pe 25 aprilie în revista Nature, documentează cel mai lung timp de înjumătățire din univers – și ar putea ajuta oamenii de știință să vâneze un alt proces misterios care este unul dintre marile mistere ale fizicii particulelor.
Nu toți atomii sunt stabili. În funcție de alcătuirea lor, unii se vor stabiliza prin eliberarea de particule subatomice și se vor transforma într-un atom al unui element diferit – un proces numit dezintegrare radioactivă.
Suntem mult mai familiarizați cu elemente radioactive precum uraniul și plutoniul – aceștia sunt adolescenții sălbatici ai elementelor radioactive, care aruncă în mod constant particule. Radonul-222, de exemplu, are un timp de înjumătățire de doar patru zile. Cu toate acestea, unele elemente se descompun foarte, foarte încet. Xenonul-124 este un astfel de bătrân: timpul său de înjumătățire este de un trilion de ori mai lung decât vârsta universului și, ca atare, șansa de a-i detecta dezintegrarea este foarte mică.
„Aceasta este cea mai lungă durată de viață pe care am măsurat-o vreodată în mod direct”, a declarat Luca Grandi, profesor asistent de fizică la Universitatea din Chicago și co-autor al studiului. „Detectarea sa a fost posibilă doar datorită efortului extraordinar pe care colaborarea l-a depus pentru a face din XENON1T un detector de fond ultra-redus. Acest lucru a făcut ca detectorul să fie ideal pentru căutări de evenimente rare, cum ar fi detectarea materiei întunecate – pentru care a fost proiectat – precum și pentru alte procese evazive.”
Grandi este unul dintre oamenii de știință care au lucrat la detectorul XENON1T, o mașină extrem de sensibilă ascunsă la aproape un kilometru și jumătate sub suprafața munților Gran Sasso din Italia. Adâncimea și bazinul gigantic de apă în care este scufundat detectorul protejează detectorul de alarme false provenite de la razele cosmice și alte fenomene, în timp ce caută dovezi ale unei particule numite „WIMP”, un candidat propus pentru materia întunecată.
Detectorul XENON1T este umplut cu trei tone de xenon, care este ținut răcit până la minus 140 de grade Fahrenheit și purificat în mod constant (chiar și câțiva atomi care se desprind de pe laturile metalice ale recipientului ar putea perturba măsurătorile). Detectorul, pe care Grandi și echipa de la UChicago au ajutat la dezvoltarea, construirea și operarea lui, detectează sclipirile de lumină care sunt produse după ce o particulă lovește un atom de xenon.
Detectorul XENON1T este optimizat pentru a detecta procese foarte rare, deoarece se așteaptă ca particulele de materie întunecată să interacționeze foarte rar cu materia obișnuită. Dar el poate capta și alte semnale: în acest caz, urmele produse în timp ce atomii de xenon-124 se dezintegrează în interiorul detectorului. Există suficienți atomi de xenon-124 în interiorul detectorului încât acest lucru a fost observat de 126 de ori în anul în care XENON1T a luat date.
Datele au ajutat colaborarea să facă prima măsurătoare definitivă a timpului de înjumătățire a xenonului-124: 18 miliarde de trilioane de ani.
Acest proces de dezintegrare se numește dublă captură de electroni cu doi neutrini. Acesta are loc atunci când doi protoni din nucleul de xenon absorb fiecare simultan un electron din învelișul atomic și emit un neutrino – transformând ambii protoni în neutroni.
Acest proces este strâns legat de un alt proces care îi intrigă pe fizicieni, numit procesul de dezintegrare beta dublă. „Dacă oamenii de știință ar observa o versiune fără neutrino a dezintegrării beta duble, am ști că un neutrino este propria sa antiparticulă”, a spus Grandi. Dacă ar fi așa, acest lucru i-ar obliga pe fizicieni să își revizuiască imaginea despre cum funcționează universul – și ar putea chiar să deschidă ușa la unele întrebări fundamentale, cum ar fi de ce există mai multă materie decât antimaterie în univers.
Nimeni nu a reușit încă să observe un astfel de eveniment, dar măsurarea dezintegrării xenonului-124 le oferă oamenilor de știință informații despre cum să o caute – stabilind parametrii modelelor oamenilor de știință și reducând șansele de erori ale tehnicii pe care o folosesc pentru a căuta dezintegrări dublu beta fără neutrino.
„Dincolo de constrângerea modelelor nucleare pentru căutările de dublu beta, această descoperire ne spune că ar putea fi posibil să folosim viitoarele detectoare masive de xenon pentru a căuta capturi duble de electroni fără neutrinol – o variantă și mai rară care, dacă ar fi detectată, ne-ar spune, de asemenea, natura neutrinilor”, a spus Grandi.
Detectorul XENON1T este în prezent supus unei modernizări pentru a-și spori sensibilitatea; este planificat să reînceapă să preia date la sfârșitul acestui an ca XENONnT, cu o cantitate de xenon de trei ori mai mare și o sensibilitate cu un ordin de mărime mai mare.
Ceilalți oameni de știință de la UChicago care au participat la lucrare au fost cercetătorul postdoctoral Jacques Pienaar; studenții absolvenți Evan Shockley, Nicholas Upole și Katrina Miller; cercetătorul postdoctoral Christopher Tunnell (acum la Rice University); și cercetătorul de date Benedikt Riedel (acum la University of Wisconsin-Madison).
Citație: „Prima observație a dublei capturi de electroni cu doi neutrini în 124Xe cu XENON1T”. Aprile et al, Nature, 24 aprilie 2019.
Finanțare: Fundația Națională pentru Știință, Fundația Națională Elvețiană pentru Știință, Ministerul German pentru Educație și Cercetare, Max Planck Gesellschaft, Fundația Germană pentru Cercetare, Organizația Olandeză pentru Cercetare Științifică, NLeSC, Institutul de Știință Weizmann, I-CORE, Pazy-Vatat, Initial Training Network Invisibles, Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia, Region des Pays de la Loire, Fundația Knut și Alice Wallenberg, Fundația Kavli, Abeloe Graduate Fellowship și Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.