Djupt under en italiensk bergssluttning har en gigantisk detektor fylld med tonvis med flytande xenon letat efter mörk materia – partiklar av en mystisk substans vars effekter vi kan se i universum, men som ingen någonsin har observerat direkt. På vägen dit fångade dock detektorn en annan vetenskaplig enhörning: sönderfallet av atomer av xenon-124 – den mest sällsynta process som någonsin observerats i universum.
Resultaten från XENON1T-experimentet, som forskare från University of Chicago är medförfattare till och som publicerades den 25 april i tidskriften Nature, dokumenterar universums längsta halveringstid – och kan kanske hjälpa forskarna att leta efter en annan mystisk process som är ett av partikelfysikens stora mysterier.
Inte alla atomer är stabila. Beroende på deras sammansättning kommer vissa att stabilisera sig själva genom att frigöra subatomära partiklar och förvandlas till en atom av ett annat grundämne – en process som kallas radioaktivt sönderfall.
Vi är mycket mer bekanta med radioaktiva grundämnen som uran och plutonium – dessa är de radioaktiva grundämnenas vilda tonåringar, som ständigt kastar ut partiklar. Radon-222, till exempel, har en halveringstid på bara fyra dagar. Vissa grundämnen sönderfaller dock mycket, mycket långsamt. Xenon-124 är en sådan äldre man: dess halveringstid är en biljon gånger längre än universums ålder, och därför är chansen att upptäcka dess sönderfall mycket liten.
”Det här är den längsta livstid som vi någonsin har mätt direkt”, säger Luca Grandi, biträdande professor i fysik vid Chicagos universitet och medförfattare till studien. ”Dess upptäckt var möjlig endast tack vare den enorma insats som samarbetet gjorde för att göra XENON1T till en detektor med ultralåg bakgrund. Detta gjorde detektorn idealisk för att söka efter sällsynta händelser, t.ex. för att upptäcka mörk materia, vilket den utformades för, samt för andra svårfångade processer.”
Grandi är en av forskarna som arbetade med XENON1T-detektorn, en extremt känslig maskin som är placerad nästan en mil under ytan i Gran Sasso-bergen i Italien. Djupet och den gigantiska vattenbassäng som detektorn är nedsänkt i skyddar detektorn från falska larm från kosmisk strålning och andra fenomen när den söker efter bevis för en partikel som kallas ”WIMP”, en föreslagen kandidat för mörk materia.
XENON1T-detektorn är fylld med tre ton xenon, som hålls nedkyld till minus 140 grader Fahrenheit och ständigt renas (även ett fåtal atomer som lossnar från metallsidorna i behållaren kan rubba mätningarna). Detektorn, som Grandi och teamet från UChicago hjälptes åt att utveckla, bygga och driva, upptäcker ljusblixtar som uppstår när en partikel träffar en xenonatom.
XENON1T-detektorn är optimerad för att upptäcka mycket sällsynta processer, eftersom partiklar av mörk materia förväntas interagera mycket sällan med vanlig materia. Men den kan också fånga upp andra signaler: i det här fallet de spår som produceras när atomer av xenon-124 sönderfaller inuti detektorn. Det finns tillräckligt många atomer av xenon-124 inuti detektorn för att detta observerades 126 gånger under det år som XENON1T tog data.
Data hjälpte samarbetet att göra den första definitiva mätningen av xenon-124:s halveringstid: 18 miljarder triljoner år.
Denna sönderfallsprocess kallas för två-neutrino double electron capture. Den inträffar när två protoner i xenonkärnan var och en samtidigt absorberar en elektron från atomhöljet och avger en neutrino – vilket omvandlar båda protonerna till neutroner.
Detta är nära besläktat med en annan process som fascinerar fysiker, den så kallade dubbla betasönderfallsprocessen. ”Om forskarna observerade en neutrinolös version av dubbelt betasönderfall skulle vi veta att en neutrino är sin egen antipartikel”, säger Grandi. Om så är fallet skulle det kräva att fysikerna omprövar sin bild av hur universum fungerar – och det skulle till och med kunna öppna dörren till vissa grundläggande frågor, till exempel varför det finns mer materia än anti-materia i universum.
Ingen har ännu kunnat observera en sådan händelse, men mätningen av xenon-124-sönderfallet ger forskarna information om hur de ska leta efter det – genom att nagelfarva parametrarna i forskarnas modeller och minska risken för fel från den teknik som de använder för att leta efter neutrinolösa dubbelbeta-sönderfall.
”Förutom att begränsa kärnmodellerna för sökning efter dubbelbeta säger den här upptäckten oss att det kan vara möjligt att använda framtida massiva xenondetektorer för att söka efter neutrinolösa dubbelelektroninfångningar – en ännu mer sällsynt variant som, om den upptäcks, också skulle berätta för oss om neutrinoernas natur”, säger Grandi.
Detektorn XENON1T genomgår för närvarande en uppgradering för att öka sin känslighet; den planeras börja ta emot data igen i slutet av året som XENONnT, med tre gånger så mycket xenon och en storleksordning högre känslighet.
De andra UChicago-forskarna som medverkade i artikeln var postdoktoral forskare Jacques Pienaar, doktoranderna Evan Shockley, Nicholas Upole och Katrina Miller, postdoktoral forskare Christopher Tunnell (nu vid Rice University) och datavetare Benedikt Riedel (nu vid University of Wisconsin-Madison).
Citat: ”Första observationen av dubbelelektroninfångning med två neutrinos i 124Xe med XENON1T.” Aprile et al, Nature, 24 april 2019.
Finansiering: Finansiering: National Science Foundation, Swiss National Science Foundation, tyska ministeriet för utbildning och forskning, Max Planck Gesellschaft, tyska forskningsstiftelsen, Netherlands Organisation for Scientific Research, NLeSC, Weizmann Institute of Science, I-CORE, Pazy-Vatatat, Initial Training Network Invisibles, Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia, Region des Pays de la Loire, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Kavli-stiftelsen, Abeloe Graduate Fellowship och Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.