Глубоко внутри горы в центральной Италии ученые закладывают ловушку для темной материи. Приманка? Большой металлический резервуар, заполненный 3,5 тоннами (3200 кг) чистого жидкого ксенона. Этот благородный газ является одним из самых чистых, наиболее радиационно-стойких веществ на Земле, что делает его идеальной целью для захвата некоторых из самых редких взаимодействий частиц во Вселенной.
Все это звучит смутно зловеще; По словам Кристиана Виттвега, кандидата наук в Университете Мюнстера в Германии, который работал с так называемым ксеноновым сотрудничеством в течение полувека, каждый день приходя на работу, хочется «нанести визит злодею из Бонда». До сих пор исследователи, живущие в горах, не обнаружили никакой темной материи. Но недавно им удалось обнаружить одно из самых редких взаимодействий частиц во вселенной.
Согласно новому исследованию, опубликованному сегодня (24 апреля) в журнале Nature, команда из более чем 100 исследователей впервые в истории измерила распад атома ксенона-124 в атом теллура 124 посредством чрезвычайно редкого процесса, называемого двухнейтринный двойной электронный захват. Этот тип радиоактивного распада происходит, когда ядро атома одновременно поглощает два электрона из его внешней электронной оболочки, высвобождая двойную дозу призрачных частиц, называемых нейтрино.
Измеряя этот уникальный распад в лаборатории впервые, исследователи смогли точно доказать, насколько редкой является реакция и сколько времени требуется ксенону-124 для распада. Период полураспада ксенона-124, то есть среднее время, необходимое для того, чтобы группа атомов ксенона-124 уменьшилась наполовину, составляет около 18 секстиллионных лет (1,8 х 10 ^ 22 лет), что примерно в 1 триллион раз превышает текущий возраст Вселенной.
Это отмечает самый длинный период полураспада, когда-либо измеренный в лаборатории, добавил Виттвег. Только один процесс ядерного распада во вселенной имеет более длительный период полураспада: распад теллура-128, период полураспада которого более чем в 100 раз больше, чем у ксенона-124. Но это исчезающе редкое событие было рассчитано только на бумаге.
Драгоценный распад
Как и в случае с более распространенными формами радиоактивного распада, двойной нейтринный захват двух электронов происходит, когда атом теряет энергию при изменении соотношения протонов и нейтронов в атомном ядре. Тем не менее, процесс намного более сложен, чем более распространенные режимы распада, и зависит от серии «гигантских совпадений», сказал Виттвег. Имея в своем распоряжении буквально тонны атомов ксенона, шансы на эти совпадения значительно возросли.
Вот как это работает: все атомы ксенона-124 окружены 54 электронами, вращающимися в туманных оболочках вокруг ядра. Двухнейтринный захват двух электронов происходит, когда два из этих электронов в оболочках, близких к ядру, одновременно мигрируют в ядро, врезаясь в один протонный фрагмент и превращая эти протоны в нейтроны. Как побочный продукт этого преобразования, ядро выплевывает два нейтрино, неуловимые субатомные частицы без заряда и практически без массы, которые почти никогда не взаимодействуют ни с чем.
Эти нейтрино вылетают в космос, и ученые не могут измерить их, если они не используют чрезвычайно чувствительное оборудование. Чтобы доказать, что произошло событие двойного захвата электронов с двумя нейтрино, исследователи ксенона вместо этого посмотрели на пустые места, оставшиеся в распадающемся атоме.
«После захвата электронов ядром в атомной оболочке остаются две вакансии», - сказал Виттвег. «Эти вакансии заполнены высшими оболочками, что создает каскад электронов и рентгеновских лучей».
Эти рентгеновские лучи откладывают энергию в детекторе, что исследователи ясно видят в своих экспериментальных данных. После одного года наблюдений группа обнаружила около 100 случаев распада атомов ксенона-124, что стало первым прямым доказательством этого процесса.
Это новое обнаружение второго наиболее редкого процесса распада во вселенной не приближает команду ксенонов к обнаружению темной материи, но доказывает универсальность детектора. По словам Виттвега, следующий шаг в экспериментах команды заключается в создании еще большего ксенонового резервуара, способного вместить более 8,8 тонн (8000 кг) жидкости, чтобы обеспечить еще больше возможностей для обнаружения редких взаимодействий.
