Dodano: 25 kwiecień 2019r.

Jeden z najrzadszych procesów we Wszechświecie zaobserwowany w podziemnym laboratorium

Zespół naukowców po raz pierwszy zarejestrował rozpad atomu ksenonu-124. To niezwykle rzadki proces. Czas połowicznego rozpadu tego pierwiastka jest ponad bilion razy dłuższy niż wiek Wszechświata, który ma obecnie prawie 14 miliardów lat.

 

Głęboko pod powierzchnią we włoskich Apeninach znajduje się podziemne laboratorium LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso), w którym naukowcy poszukują cząstek ciemnej materii. Głównym instrumentem naukowym jest detektor XENON1T, którego centralna część składa się z cylindrycznego zbiornika o długości około jednego metra wypełnionego 3200 kilogramami ciekłego ksenonu schłodzonego do temperatury minus 95 stopni Celsjusza.

Ten szlachetny gaz jest jedną z najczystszych, najbardziej odpornych na promieniowanie substancji na Ziemi, co czyni go idealnym celem do wychwytywania najrzadszych interakcji cząstek we Wszechświecie. Choć badacze nie zaobserwowali jeszcze żadnych cząstek ciemnej materii, to udało im się zaobserwować po raz pierwszy w historii rozpad atomu ksenonu-124 na atom telluru-124 w niezwykle rzadkim procesie zwanym podwójnym wychwytem elektronu.

 

Ksenon-124 składa się z 54 dodatnio naładowanych protonów i 70 neutralnych neutronów. Całość otoczona jest ujemnie naładowanymi elektronami. Wspomniany typ rozpadu promieniotwórczego występuje, gdy jądro atomu jednocześnie pochłania dwa elektrony ze swojej zewnętrznej powłoki elektronowej, w wyniku czego powstają dwa neutrony i uwalniane są neutrino.

Gdy brakuje dwóch elektronów w powłoce atomowej, pozostałe elektrony reorganizują się, a uwolniona energia jest przenoszona przez promieniowanie rentgenowskie. Jest to bardzo rzadki proces, jednak w zamkniętym środowisku podziemnego laboratorium możliwe jest jego obserwowanie.

Szczegóły obserwacji zostały opublikowane na łamach pisma „Nature”.

Okres połowicznego rozpadu ksenonu-124, czyli przedział czasu, po którym połowa atomów radioaktywnych pierwotnie obecnych w próbce ulega rozkładowi, jest ponad bilion razy dłuższy niż wiek Wszechświata, który ma prawie 14 miliardów lat. Zaobserwowany proces jest zatem najrzadszym procesem we Wszechświecie, jaki można było dostrzec bezpośrednio w detektorze.

- Fakt, że udało nam się bezpośrednio zaobserwować ten proces pokazuje, jak potężna jest nasza metoda wykrywania - także dla rzadkich zjawisk fizycznych, które nie pochodzą z ciemnej materii - powiedziała profesor Laura Baudis z Uniwersytetu w Zurychu, jedna z czołowych badaczek w eksperymencie XENON1T.

Promienie rentgenowskie z podwójnego wychwytu elektronów wytworzyły w schłodzonym ksenonie-124 sygnał świetlny, a także wolne elektrony. Elektrony zostały przesunięte w kierunku górnej części detektora, gdzie wygenerowały drugi sygnał świetlny. Z kierunku i różnicy czasu między tymi dwoma sygnałami naukowcy mogli określić dokładną pozycję podwójnego wychwytu elektronów i energii uwolnionej podczas rozpadu.

Ze 126 procesów zaobserwowanych łącznie w ciągu ostatnich dwóch lat fizycy obliczyli niezwykle długi okres połowicznego rozpadu ksenonu-124, który wynosi 1,8 x 1022 lat. To najwolniejszy proces, jaki kiedykolwiek bezpośrednio zaobserwowano.

- Nowe wyniki pokazują, jak dobrze detektor XENON1T może wykryć bardzo rzadkie procesy, odrzucając przy tym sygnały tła - przyznała Baudis.

Tylko jeden proces rozpadu jądrowego we Wszechświecie ma dłuższy okres połowicznego rozpadu. To rozpad telluru-128. Czas połowicznego rozpadu tego pierwiastka jest ponad 100 razy dłuższy niż ksenonu-124. Ale to rzadkie wydarzenie nie zostało nigdy zaobserwowane. Czas rozpadu został obliczony na podstawie innych procesów.

 

Źródło: Uniwersytet w Zurychu, fot. Xenon Collaboration