Duboko u planini u središnjoj Italiji, znanstvenici postavljaju zamku za tamnu tvar. Mamac? Veliki metalni spremnik pun 3,5 tone (3.200 kilograma) čistog tekućeg ksenona. Ovaj plemeniti plin jedna je od najčišćih, većine tvari otpornih na zračenje na Zemlji, što ga čini idealnim ciljem za snimanje nekih od najrjeđih interakcija čestica u svemiru.
Sve zvuči nejasno zloslutno; rekao je Christian Wittweg, doktorski kandidat na Sveučilištu u Münsteru u Njemačkoj, koji je radio s takozvanom Xenonovom suradnjom već pola desetljeća, a svaki dan raditi će se osjećati kao "posjećivanje zlikovca Bonda u posjeti". Do sada istraživači planinskih naselja nisu zabilježili nijednu tamnu materiju. Ali nedavno su uspjeli otkriti jednu od najrjeđih interakcija čestica u svemiru.
Prema novoj studiji, objavljenoj danas (24. travnja) u časopisu Nature, tim više od 100 istraživača prvi je put izmjerio propadanje ksenonovog-124 atoma u atom telarija 124 kroz izuzetno rijedak proces nazvan dvostruko hvatanje elektrona s dva neutrina. Ova vrsta radioaktivnog raspada nastaje kada atomsko jezgro apsorbira dva elektrona iz svoje vanjske elektronske ljuske istovremeno, oslobađajući dvostruku dozu sablasnih čestica zvanih neutrini.
Mjereći ovo jedinstveno propadanje u laboratoriju prvi put, istraživači su uspjeli precizno dokazati koliko je reakcija rijetka i koliko dugo treba ksenon-124 da propadne. Poluživot ksenona-124 - to je prosječno vrijeme potrebno da se skupina ksenonskih-124 atoma smanji za pola - oko 18 sektilionskih godina (1,8 x 10 ^ 22 godine), otprilike 1 trilijuna puta više od trenutne dobi svemira.
To znači da je najduži poluživot ikad izmjeren u laboratoriju, dodao je Wittweg. Samo jedan proces raspada nuklearne energije u svemiru ima duži poluživot: propadanje telur-128, koji ima poluživot više od 100 puta duži od onog ksenona-124. Ali ovaj nestabilno rijedak događaj izračunao se samo na papiru.
Dragocjeno propadanje
Kao i kod češćih oblika raspada radioaktivnog sustava, dvostruko hvatanje elektrona dva neutrina događa se kada jedan atom izgubi energiju jer se omjer protona i neutrona u atomskom jezgru mijenja. Međutim, postupak je mnogo izbirljiviji od uobičajenih načina propadanja i ovisi o nizu "divovskih slučajnosti", rekao je Wittweg. Imati doslovne tone ksenonskih atoma s kojima su se odvijale izgledi za ove slučajnosti mnogo su vjerojatniji.
Evo kako to djeluje: Svi ksenonski-124 atomi okruženi su s 54 elektrona koji se vrte u mutnim školjkama oko jezgre. Zarobljavanje s dva neutrina s dvostrukim elektronima događa se kada dva od tih elektrona, u školjkama blizu jezgre, istovremeno migriraju u jezgru, urušavajući se u jedan protonski komad i pretvarajući te protone u neutrone. Kao nusprodukt ove pretvorbe, jezgro ispire dva neutrina, neuhvatljiva subatomska čestica bez naboja i gotovo bez mase koja gotovo nikada ne reagiraju ni na što.
Ti neutrini lete u svemir, a znanstvenici ih ne mogu izmjeriti ako ne koriste izuzetno osjetljivu opremu. Kako bi dokazali da se dogodilo dvostruko uhvaćanje elektrona sa dva neutrina, istraživači Xenona pogledali su u prazne prostore koji ostaju u raspadajućem atomu.
"Nakon što elektroni zarobe elektroni, u atomskoj ljusci su ostala dva slobodna mjesta", rekao je Wittweg. "Ta se slobodna mjesta popunjavaju iz viših školjki, što stvara kaskadu elektrona i rendgenskih zraka."
Ti rendgenski zraci polažu energiju u detektor, što istraživači jasno mogu vidjeti u svojim eksperimentalnim podacima. Nakon godinu dana promatranja, tim je otkrio blizu 100 primjeraka ksenona-124 atoma koji propadaju na ovaj način, pružajući prve izravne dokaze procesa.
Novo otkrivanje najrjeđeg procesa raspadanja u svemiru Xenonov tim više ne pronalazi tamnu tvar, ali dokazuje svestranost detektora. Sljedeći korak u eksperimentima tima uključuje izgradnju još većeg ksenonskog spremnika - ovog sposobnog da drži više od 8,8 tona (8 000 kg) tekućine - kako bi se pružile još više mogućnosti za otkrivanje rijetkih interakcija, rekao je Wittweg.
