Вглиб гори в центральній Італії вчені закладають пастку для темної речовини. Приманка? Великий металевий резервуар, повний 3,5 тонни (3200 кілограмів) чистого рідкого ксенону. Цей благородний газ є однією з найчистіших, найбільш захищених від радіації речовин на Землі, що робить його ідеальною ціллю для захоплення деяких найрідкісніших взаємодій частинок у Всесвіті.
Це все звучить невиразно зловісно; сказав Крістіан Віттвег, кандидат доктора в Мюнстерському університеті в Німеччині, який вже півтора десятиліття працює з так званою співпрацею Ксенон, і щодня працювати на роботі відчувається, що "відвідуючи лиходія Бонда в гостях". Поки що дослідники гірських мешканців не захопили жодної темної речовини. Але останнім часом їм вдалося виявити одну з найрідкісніших взаємодій частинок у Всесвіті.
Відповідно до нового дослідження, опублікованого сьогодні (24 квітня) у журналі Nature, команда з понад 100 дослідників вперше виміряла розпад атома ксенону-124 в атом телуру 124 через надзвичайно рідкісний процес, який називався подвійний захоплення електронів з двома нейтрино. Цей тип радіоактивного розпаду виникає, коли ядро атома одночасно поглинає два електрони зі своєї зовнішньої електронної оболонки, тим самим вивільняючи подвійну дозу примарних частинок, званих нейтрино.
Виміривши цей унікальний розпад у лабораторії вперше, дослідники змогли точно довести, наскільки рідкісна реакція і скільки часу потрібно розпад ксенону-124. Період напіввиведення ксенону-124 - тобто середній час, необхідний для зменшення наполовину групи атомів ксенону-124 - становить приблизно 18 секстиліонних років (1,8 х 10 ^ 22 років), що приблизно в 1 трлн. Разів перевищує поточний вік Всесвіту.
Це означає один найдовший період напіввиведення, який коли-небудь безпосередньо вимірювали в лабораторії, додав Віттвег. Лише один процес розпаду ядер у Всесвіті має більш тривалий період напіврозпаду: розпад телуру-128, який має період напіввиведення в 100 разів довший, ніж у ксенону-124. Але ця зникаюча рідкісна подія була розрахована лише на папері.
Коштовний занепад
Як і у випадку з більш поширеними формами радіоактивного розпаду, подвійний захоплення електронів з двома нейтрино відбувається, коли атом втрачає енергію, коли змінюється співвідношення протонів і нейтронів в атомному ядрі. Однак процес набагато прискіпливіший, ніж більш поширені режими занепаду і залежить від серії "гігантських збігів", - сказав Віттвег. Робота з буквально тоннами атомів ксенону зробила шанси цих збігів набагато більш імовірними.
Ось як це працює: Усі атоми ксенону-124 оточені 54 електронами, що крутяться в туманних оболонках навколо ядра. Двонейтронний захоплення подвійного електрона відбувається, коли два з цих електронів у оболонках, близьких до ядра, одночасно мігрують у ядро, врізаючись в один протон за штукою і перетворюючи ці протони в нейтрони. Як побічний продукт цього перетворення, ядро випльовує два нейтрино, невловимі субатомні частинки без заряду і практично без маси, які майже ніколи не взаємодіють ні з чим.
Ці нейтрино вилітають у космос, і вчені не можуть їх виміряти, якщо вони не використовують надзвичайно чутливе обладнання. Щоб довести, що відбулася подія подвійного захоплення електронів з двома нейтрино, дослідники Ксенона замість цього придивилися до порожніх просторів, залишених у гнилому атомі.
"Після того, як електрони захоплені ядром, в атомній оболонці залишилися дві вакансії", - сказав Віттвег. "Ці вакансії заповнюються з вищих оболонок, що створює каскад електронів і рентгенівських променів".
Ті рентгенограми відкладають енергію в детекторі, яку дослідники чітко бачать у своїх експериментальних даних. Після року спостережень команда виявила близько 100 екземплярів атомів ксенону-124, що розпадалися таким чином, надаючи перші прямі докази процесу.
Це нове виявлення другого рідкісного процесу розпаду у Всесвіті не зближує команду Ксенон до пошуку темної речовини, але це доводить універсальність детектора. Наступним кроком в експериментах команди є створення ще більшого ксенонового бака - цей здатний вмістити більше 8,8 т (8000 кг) рідини - щоб забезпечити ще більше можливостей для виявлення рідкісних взаємодій, сказав Віттвег.
