Dypt inne i et fjell i det sentrale Italia legger forskere en felle for mørk materie. Agnet? En stor metallbeholder full av 3,5 tonn (3.200 kilo) ren flytende xenon. Denne edle gassen er et av de reneste og mest strålingssikre stoffene på jorden, noe som gjør den til et ideelt mål for å fange noen av de sjeldneste partikkelinteraksjonene i universet.
Det hele høres vagt uhyggelig ut; sa Christian Wittweg, en doktorgradskandidat ved Universitetet i Münster i Tyskland, som har jobbet med det såkalte Xenon-samarbeidet i et halvt tiår, å gå på jobb hver dag føles som "å betale en Bond-skurk på besøk." Så langt har ikke fjellboligen forskere fanget noen mørk materie. Men de lyktes nylig å oppdage en av de sjeldneste partikkelinteraksjonene i universet.
I følge en ny studie publisert i dag (24. april) i tidsskriftet Nature, målte teamet med mer enn 100 forskere for første gang noensinne forfallet av et xenon-124-atom i et tellur 124-atom gjennom en ekstremt sjelden prosess kalt to-nøytrino dobbeltelektronfangst. Denne typen radioaktivt forfall oppstår når et atomkjerne absorberer to elektroner fra det ytre elektronskallet samtidig, og derved frigjør en dobbel dose av de spøkelsesaktige partiklene som kalles nøytrinoer.
Ved å måle dette unike forfallet i et laboratorium for første gang, var forskerne i stand til å bevise nøyaktig hvor sjelden reaksjonen er, og hvor lang tid det tar xenon-124 å forfalle. Halveringstiden for xenon-124 - det vil si gjennomsnittlig tid som kreves for at en gruppe xenon-124 atomer skal reduseres med halvparten - er omtrent 18 sekstille år (1,8 x 10 ^ 22 år), omtrent 1 billion ganger dagens alder av universet.
Dette markerer den lengste halveringstiden noen gang direkte målt i et laboratorium, la Wittweg til. Bare en prosess med kjernefysisk forfall i universet har en lengre halveringstid: forfallet til tellurium-128, som har en halveringstid mer enn 100 ganger lenger enn for xenon-124. Men denne forsvinnende sjeldne hendelsen har bare blitt beregnet på papir.
Et dyrebart forfall
Som med de mer vanlige formene for radioaktivt forfall, oppstår to-neutrino dobbeltelektronfangst når et atom mister energi når forholdet mellom protoner og nøytroner i atomkjernen endres. Prosessen er imidlertid mye kresen enn mer vanlige forfallsmodus og avhenger av en serie "gigantiske tilfeldigheter," sa Wittweg. Å ha bokstavelige tonn xenonatomer å jobbe med, gjorde oddsen for at disse tilfeldighetene stod opp mye mer sannsynlig.
Slik fungerer det: Alle xenon-124-atomer er omgitt av 54 elektroner, som spinner i disige skjell rundt kjernen. To-nøytrino-dobbeltelektronfangst oppstår når to av disse elektronene, i skjell nær kjernen, samtidig vandrer inn i kjernen, krasjer inn i ett protonstykk og omdanner disse protonene til nøytroner. Som et biprodukt av denne konverteringen spytter kjernen ut to nøytrinoer, unnvikende subatomære partikler uten ladning og praktisk talt ingen masse som nesten aldri samvirker med noe.
Disse nøytrinoene flyr ut i verdensrommet, og forskere kan ikke måle dem med mindre de bruker ekstremt følsomt utstyr. For å bevise at en to-nøytrino-fangsthendelse med dobbelt elektron har skjedd, så Xenon-forskerne i stedet til de tomme områdene som var igjen i det råtnende atom.
"Etter at elektronene er fanget opp av kjernen, er det to ledige stillinger igjen i atomskjellet," sa Wittweg. "Disse ledige stillingene er fylt opp fra høyere skjell, noe som skaper en kaskade av elektroner og røntgenstråler."
Disse røntgenstrålene setter inn energi i detektoren, noe forskerne tydelig kan se i sine eksperimentelle data. Etter ett års observasjoner oppdaget teamet nærmere 100 forekomster av xenon-124 atomer som råtnet på denne måten, og ga det første direkte beviset for prosessen.
Denne nye deteksjonen av den nest sjeldneste forfallsprosessen i universet setter ikke Xenon-teamet nærmere å finne mørk materie, men den beviser allsidigheten til detektoren. Neste trinn i teamets eksperimenter innebærer å bygge en enda større xenontank - denne som er i stand til å holde mer enn 8,8 tonn (8000 kg) væske - for å gi enda flere muligheter til å oppdage sjeldne interaksjoner, sa Wittweg.
