La teoría predice que la desintegración radiactiva del isótopo tiene una vida media que supera la edad del universo «en muchos órdenes de magnitud», pero hasta ahora no había aparecido ninguna prueba del proceso.

Un equipo internacional de físicos que incluye a tres investigadores de la Universidad de Rice -el profesor adjunto Christopher Tunnell, el científico visitante Junji Naganoma y el profesor de investigación adjunto Petr Chaguine- ha informado de la primera observación directa de la doble captura de electrones de dos neutrinos para el xenón 124, el proceso físico por el que decae. Su artículo aparece esta semana en la revista Nature.

Aunque la mayoría de los isótopos del xenón tienen vidas medias inferiores a 12 días, se cree que unos pocos son excepcionalmente longevos y esencialmente estables. El xenón 124 es uno de ellos, aunque los investigadores han calculado que su vida media es de 160 trillones de años al descomponerse en telurio 124. Se supone que el universo sólo tiene entre 13.000 y 14.000 millones de años.

El nuevo hallazgo sitúa la vida media del xenón 124 en unos 18 sextillones de años. (Para que conste, eso es 18.000.000.000.000.000.000.)

La vida media no significa que cada átomo tarde tanto tiempo en descomponerse. El número simplemente indica cuánto tiempo, de media, tardará la mayor parte de un material radiactivo en reducirse a la mitad. Aun así, la probabilidad de ver un incidente de este tipo para el xenón 124 es increíblemente pequeña, a menos que se reúnan suficientes átomos de xenón y se coloquen en el «lugar más radiopuro de la Tierra», dijo Tunnell.

«Un punto clave aquí es que tenemos tantos átomos, así que si alguno decae, lo veremos», dijo. «Tenemos una tonelada (literal) de material».

Ese lugar, situado en las profundidades de una montaña en Italia, es una cámara que contiene una tonelada de xenón líquido altamente purificado y protegido de todas las formas posibles de interferencia radiactiva.

Llamado experimento XENON1T, es el último de una serie de cámaras diseñadas para encontrar la primera evidencia directa de la materia oscura, la misteriosa sustancia que se cree que representa la mayor parte de la materia del universo.

También tiene la capacidad de observar otros fenómenos naturales únicos. Uno de ellos, en el último año de funcionamiento, fue el seguimiento de la desintegración prevista del xenón 124. La clasificación de la pila de datos producidos por la cámara reveló «decenas» de estas desintegraciones, dijo Tunnell, que se unió a Rice este año como parte de la Iniciativa de Ciencia de Datos de la universidad.

«Podemos ver neutrones individuales, fotones individuales, electrones individuales», dijo. «Todo lo que entra en este detector depositará energía de alguna manera, y es medible». XENON1T puede detectar los fotones que surgen en el medio líquido, así como los electrones atraídos por una capa superior de gas xenón cargado. Ambos se producen cuando el xenón 124 se desintegra.

«Hay diferentes formas en las que un isótopo radiactivo puede desintegrarse», dijo. «Una es la desintegración beta. Eso significa que sale un electrón. Puede haber una desintegración alfa, en la que se desprende parte del núcleo para liberar energía. Y está la captura de electrones, cuando un electrón entra en el núcleo y convierte un protón en un neutrón. Esto cambia la composición del núcleo y provoca su desintegración.

«Normalmente, entra un electrón y sale un neutrino», dijo Tunnell. «Ese neutrino tiene una energía fija, que es como el núcleo expulsa su masa. Este es un proceso que vemos a menudo en la física de partículas nucleares, y se entiende bastante bien. Pero nunca habíamos visto que dos electrones entraran en el núcleo al mismo tiempo y emitieran dos neutrinos».

Los fotones se liberan a medida que los electrones entran en cascada para llenar las vacantes inferiores alrededor del núcleo. Aparecen como una protuberancia en un gráfico que sólo puede interpretarse como múltiples capturas de electrones dobles de dos neutrinos. «No puede explicarse con ninguna otra fuente de fondo que conozcamos», dijo Tunnell, que fue coordinador del análisis durante dos años.

XENON1T sigue siendo el detector más grande y sensible del mundo para las partículas masivas débilmente interactivas, alias WIMPs, las partículas hipotéticas que se cree que constituyen la materia oscura. Tunnell trabajó en XENON1T con su colega de Rice, Naganoma, que fue el director de operaciones.

Los investigadores que forman la Colaboración XENON, todos ellos coautores del artículo, aún no han detectado la materia oscura, pero se está construyendo un instrumento más grande, XENONnT, para avanzar en la búsqueda. Chaguine es el director de la puesta en marcha del nuevo instrumento, responsable de su construcción.

El ejemplo de la colaboración podría llevar a los investigadores a encontrar otros procesos exóticos no relacionados con la materia oscura, dijo Tunnell, incluyendo la búsqueda en curso de otro proceso no visto, la doble captura de electrones sin neutrinos, en la que no se liberan neutrinos. Ese proceso, según el documento, «tendría implicaciones para la naturaleza del neutrino y daría acceso a la masa absoluta del neutrino».

«Se vuelve complicado, porque mientras tenemos la ciencia que estamos tratando de hacer, también tenemos que pensar en qué más podemos hacer con el experimento», dijo. «Tenemos muchos estudiantes que buscan proyectos de tesis, así que hacemos una lista de otras 10 o 20 mediciones – pero son un tiro en la oscuridad, y casi siempre no llegamos a nada, como es típico de la ciencia impulsada por la curiosidad.

«En este caso, hicimos un tiro en la oscuridad donde dos o tres estudiantes tuvieron mucha suerte», dijo.