Dybt inde i et bjerg i det centrale Italien lægger forskere en fælde til mørk stof. Agnet? En stor metalbeholder fuld af 3,5 tons (3.200 kg) ren flydende xenon. Denne ædelgas er et af de reneste og mest strålingssikre stoffer på Jorden, hvilket gør den til et ideelt mål for at fange nogle af de sjældneste partikelinteraktioner i universet.
Det hele lyder vagt uhyggeligt; sagde Christian Wittweg, en doktorgradskandidat ved Universitetet i Münster i Tyskland, der har arbejdet med det såkaldte Xenon-samarbejde i et halvt årti, at gå på arbejde hver dag føles som "at besøge en Bond-skurk et besøg." Indtil videre har forskerne i bjergboliger ikke fanget noget mørkt stof. Men det lykkedes for nylig at opdage en af de sjældneste partikelinteraktioner i universet.
Ifølge en ny undersøgelse, der blev offentliggjort i dag (24. april) i tidsskriftet Nature, målte teamet af mere end 100 forskere for første gang nogensinde forfaldet af et xenon-124-atom i et tellur 124-atom gennem en ekstremt sjælden proces kaldet to-neutrino dobbelt elektronoptagelse. Denne type radioaktivt forfald forekommer, når et atoms kerne absorberer to elektroner fra det ydre elektronskal samtidig, hvorved der frigøres en dobbelt dosis af de spøgelsesagtige partikler kaldet neutrino.
Ved at måle dette unikke forfald i et laboratorium for første gang var forskerne i stand til at bevise nøjagtigt, hvor sjælden reaktionen er, og hvor lang tid det tager xenon-124 at forfald. Halveringstiden for xenon-124 - det vil sige den gennemsnitlige tid, der kræves for en gruppe af xenon-124-atomer at formindskes med halvdelen - er ca. 18 sextillioner år (1,8 x 10 ^ 22 år), ca. 1 billion tit den aktuelle alder af universet.
Dette markerer den eneste længste halveringstid nogensinde direkte målt i et laboratorium, tilføjede Wittweg. Kun en nuklear forfaldsproces i universet har en længere halveringstid: forfaldet af tellurium-128, som har en halveringstid mere end 100 gange længere end xenon-124. Men denne forsvindende sjældne begivenhed er kun blevet beregnet på papir.
Et dyrebart forfald
Som med de mere almindelige former for radioaktivt henfald sker to-neutrino dobbeltelektronfangst, når et atom mister energi, når forholdet mellem protoner og neutroner i atomkernen ændres. Imidlertid er processen meget pickier end mere almindelige henfaldstilstande og afhænger af en række "gigantiske tilfældigheder", sagde Wittweg. At have bogstavelige tonsvis af xenonatomer at arbejde med gjorde oddset for, at disse tilfældigheder var meget mere sandsynligt.
Sådan fungerer det: Alle xenon-124 atomer er omgivet af 54 elektroner, der spinder i uklare skaller omkring kernen. To-neutrino-dobbeltelektronfangst opstår, når to af disse elektroner, i skaller tæt på kernen, samtidig migrerer ind i kernen, styrter ned i et protonstykke og omdanner disse protoner til neutroner. Som et biprodukt af denne konvertering spytter kernen to neutrinoer, undvigende subatomære partikler uden ladning og næsten ingen masse, der næsten aldrig interagerer med noget.
Disse neutrinoer flyver ud i rummet, og forskere kan ikke måle dem, medmindre de bruger ekstremt følsomt udstyr. For at bevise, at en to-neutrino dobbeltelektronoptagelsesbegivenhed har fundet sted, så Xenon-forskerne i stedet til de tomme rum, der blev efterladt i det forfaldne atom.
”Når elektronerne er fanget af kernen, er der to ledige pladser tilbage i atomskallen,” sagde Wittweg. "Disse ledige stillinger er fyldt op af højere skaller, hvilket skaber en kaskade af elektroner og røntgenstråler."
Disse røntgenstråler deponerer energi i detektoren, som forskerne tydeligt kan se i deres eksperimentelle data. Efter et års observationer opdagede teamet næsten 100 tilfælde af xenon-124 atomer, der forfaldt på denne måde, hvilket leverede det første direkte bevis for processen.
Denne nye opdagelse af den anden sjældneste forfaldsproces i universet sætter ikke Xenon-teamet tættere på at finde mørkt stof, men det beviser detektorens alsidighed. Det næste trin i holdets eksperimenter involverer at bygge en endnu større xenontank - denne i stand til at indeholde mere end 8,8 ton (8.000 kg) væske - for at give endnu flere muligheder for at opdage sjældne interaktioner, sagde Wittweg.
