Znanstveniki globoko v gori v srednji Italiji postavljajo past za temno snov. Vaba? Velik kovinski rezervoar, poln 3,5 tone (3.200 kilogramov) čistega tekočega ksenona. Ta žlahtni plin je ena najčistejših, najbolj odpornih proti sevanju na Zemlji, zato je idealna tarča za zajem nekaterih najredkejših interakcij delcev v vesolju.
Vse zveni nejasno zlovešče; je dejal Christian Wittweg, doktorski kandidat na univerzi v Münsteru v Nemčiji, ki že pol desetletja sodeluje s tako imenovanim Xenonovim sodelovanjem in se vsak dan ukvarja z delom. Do zdaj raziskovalci gorskih prebivališč niso zajeli nobene temne snovi. Toda nedavno so uspeli zaznati eno najredkejših interakcij med delci v vesolju.
Glede na novo študijo, objavljeno danes (24. aprila) v reviji Nature, je ekipa več kot 100 raziskovalcev prvič izmerila razpad ksenona-124 atoma v atomu telurija 124 skozi izjemno redek postopek, imenovan dvojno zajemanje elektronov z dvema nevtrinama. Ta vrsta radioaktivnega razpada nastane, ko jedro atoma absorbira dva elektrona iz svoje zunanje elektronske lupine in tako sprosti dvojni odmerek duhovitih delcev, imenovanih nevtrini.
Z meritvijo tega edinstvenega razpada v laboratoriju so raziskovalci lahko natančno dokazali, kako redka je reakcija in kako dolgo traja razpadanje ksenona-124. Razpolovna doba ksenona-124 - to je povprečni čas, potreben, da se skupina ksenonskih 124 atomov zmanjša za polovico - je približno 18 sekstilnih let (1,8 x 10 ^ 22 let), kar je približno 1 trilijonkrat večja od trenutne starosti vesolja.
Wittweg je dodal, da je to najdaljši razpolovni čas, ki je bil kdajkoli izmerjen v laboratoriju. Daljši razpolovni čas ima samo en postopek razpadanja jedrskega v vesolju: razpad telurja-128, ki ima razpolovno dobo več kot 100-krat daljši čas kot ksenon-124. Toda ta izginjajoč redek dogodek je bil izračunan le na papirju.
Dragocen razpad
Kot pri pogostejših oblikah radioaktivnega razpadanja, se tudi pri dva nevtrino dvojno zajemanje elektronov izgubi energija, ko se razmerje protonov in nevtronov v atomskem jedru spremeni. Vendar pa je postopek veliko bolj izbirčen kot pogostejši načini razpada in je odvisen od vrste "velikanskih naključij", je dejal Wittweg. V primerjavi z dobesednimi tonami ksenonskih atomov je verjetno večja verjetnost, da se bodo ta naključja postavila veliko bolj.
Takole deluje: Vsi ksenonski-124 atomi so obkroženi s 54 elektroni, ki se vrtijo v nejasnih lupinah okoli jedra. Dvojno elektronsko zajemanje z dvema nevtrinama se zgodi, ko dva od teh elektronov v lupinah blizu jedra hkrati migrirata v jedro, zruši se v en protonski kos in pretvori te protone v nevtrone. Kot stranski produkt te pretvorbe jedro izpušča dva nevtrina, nerazložljive subatomske delce brez naboja in skoraj brez mase, ki skoraj nikoli ne vplivajo na nič.
Ti nevtrini odletijo v vesolje in znanstveniki jih ne morejo izmeriti, če ne uporabljajo izjemno občutljive opreme. Da bi dokazali, da se je zgodil dogodek zajemanja elektronov z dvema nevtrinama, so se ksenonski raziskovalci namesto tega zazrli v prazne prostore, ki jih pušča v propadajočem atomu.
"Po zajetju elektronov v jedru sta v atomski lupini še dve prosti mesti," je dejal Wittweg. "Ta prosta mesta so zapolnjena iz višjih lupin, kar ustvarja kaskado elektronov in rentgenskih žarkov."
Ti rentgenski žarki energijo deponirajo v detektorju, kar raziskovalci jasno vidijo v svojih eksperimentalnih podatkih. Po enem letu opazovanj je ekipa odkrila skoraj 100 primerov ksenona-124 atomov, ki razpadajo na ta način, kar je prve neposredne dokaze o postopku.
Novo odkrivanje drugega najredkejšega procesa razpada v vesolju Xenonovi ekipi ne približuje iskanja temne snovi, vendar pa dokazuje vsestranskost detektorja. Naslednji korak v eksperimentih ekipe vključuje gradnjo še večjega ksenonovega rezervoarja - ta je zmožen zadrževati več kot 8,8 tone (8000 kg) tekočine - da bi zagotovil še več priložnosti za zaznavanje redkih interakcij, je dejal Wittweg.
