Od 1960-ih znanstvenici su teoretizirali da je svemir ispunjen tajanstvenom, nevidljivom masom. Poznata kao "tamna tvar", procjenjuje se da ta masa čini otprilike 85% materije u Svemiru i četvrtinu njegove gustoće energije. Iako se ta masa neizravno promatrala i proučavala, svi pokušaji utvrđivanja njezine prave prirode do sada su propali.
Da bi se to riješilo, provode se brojni eksperimenti koji se oslanjaju na neizmjerno sofisticirane instrumente. Jedan od njih, nazvan XENON, nedavno je promatrao postupak koji je prethodno izbjegavao višestruke pokušaje otkrivanja. Ovi bi rezultati mogli pomoći znanstvenicima da poboljšaju svoje razumijevanje neutrina, a za koje neki znanstvenici vjeruju da čine tamnu tvar.
Rezultati (XENON1T) pojavili su se kao dio studije koja je nedavno objavljena u časopisu Priroda, XENON je zajednički eksperimentalni projekt oko 160 znanstvenika iz Europe, SAD-a i sa Bliskog Istoka. Trenutno je vodi prof. Elena Aprile sa Sveučilišta Columbia, a operira Nacionalni laboratorij Gran Sasso (LNGS) u Italiji.
Kao i drugi eksperimenti s tamnom tvari, njegov je cilj otkriti potencijalne čestice tamne materije poznate kao slabo interaktivne masivne čestice (WIMPS). U tu svrhu, objekt se nalazi duboko pod zemljom kako bi se izbjegle smetnje iz drugih neutrinskih izvora (koji uključuju solarne neutrine koje redovito stvara naše Sunce i kozmički neutrini).
U slučaju eksperimenta XENON, to uključuje promatranje komore napunjene tekućim Xenon-124 radi znakova interakcije čestica. Ovi bi znakovi pružili prve neposredne eksperimentalne dokaze o česticama tamne materije. I dok njihov prvi skup rezultata nije potvrdio postojanje tamne materije, prvi je put promatrao raspadanje atomskih jezgara Xenon-124.
Iz više razloga, ovo je bilo neizmjerno dostignuće. Osim što je prvi povijesni, poluživot mjeren za Xenon-124 oko tri biliona puta je duži od dobi samog Svemira (13,8 milijardi godina). Zbog toga dolazi do propadanja radioaktivnog sustava - takozvanog dvostrukog hvatanja elektrona Xenon-124 - najrjeđeg procesa ikada primijećenog u detektoru.
Kao što je prof. Christian Weinheimer - sa Sveučilišta u Münsteru, čija je grupa vodila istraživanje - u XENON-ovom priopćenju za javnost objasnio:
"Činjenica da smo uspjeli promatrati taj postupak izravno pokazuje koliko je zapravo naša metoda otkrivanja - također i za signale koji nisu iz tamne materije."
Da bi se razbio ovaj proces, atom Xenon-124 sastoji se od 54 protona i 70 neutrona koji su okruženi atomskom ljuskom sa 54 elektrona. U procesu poznatom kao dvostruko hvatanje elektrona, dva protona u jezgri istovremeno "hvataju" dva elektrona iz najdublje ljuske, pretvaraju ih u dva neutrona i ispljuvaju dva neutrina.
Ostali se elektroni tada reorganiziraju kako bi popunili jaz koji je stvoren u najdubljoj ljusci, dok se energija oslobađa u obliku rendgenskih zraka i što se naziva "oker-elektroni". Međutim, te je signale vrlo teško detektirati jer je postupak vrlo rijedak i skriven je prirodnom radioaktivnošću. Ipak, suradnju s XENON-om uspjeli smo samo zahvaljujući vrijednim godinu dana promatranja sa svojim instrumentima.
X-zrake emitirane kao rezultat dvostrukog hvatanja elektrona proizvele su svjetlosni signal u tekućem ksenonu kao i slobodni elektroni. Ti su se elektroni pomakli prema gornjem dijelu detektora ispunjenom plinom gdje su proizveli drugi svjetlosni signal, a vremenska razlika između njih dvojice dogodila se da odgovara vremenu koje je potrebno da elektroni dođu do vrha detektora.
Znanstveni tim upotrijebio je ovaj interval i komore senzore da rekonstruiraju položaj dvostrukog hvatanja elektrona, dok se snaga signala koristi za mjerenje koliko energije se oslobađa. To je znanstvenicima omogućilo određivanje nevjerojatno dugog poluživota ksenona, koji su izračunali na 1,8 × 10 m2 godina.
Ovi rezultati učinkovito pokazuju sposobnost XENON detektora da otkriju rijetke procese dok odbijaju pozadinske signale. Novi bi rezultati mogli omogućiti daljnja ispitivanja neutrina, koji su od svih elementarnih čestica najlakši i još uvijek nisu potpuno razumljivi. U njih spada i masa neutrina, koja još nije dobro ograničena.
Kao kršćanin
„To dokazuje da je tehnologija XENON detektora koju koristimo za tamnu tvar puno svestranija. Sve ove cool analize dobivamo besplatno nakon što smo izgradili eksperiment dovoljno osjetljiv za lov na tamnu tvar. "
Promatranje XENON1T prikupljalo je podatke između 2016. do prosinca 2018., a tada je isključeno zbog nadogradnje. Jednom kada to budu gotovi, znanstveni tim započet će provoditi sljedeću fazu opažanja. Poznata kao "XENONnT", ova će faza sadržavati aktivnu masu detektora tri puta veću od prvog eksperimenta.
Zajedno s nadogradnjama dizajniranim za smanjenje pozadinskih smetnji, detektor će imati razinu osjetljivosti nekoliko reda veće. U ovom trenutku, možemo očekivati da će eksperiment obasjati još svjetlije svjetlo na tamnim područjima svemira.
