Teorie předpovídá, že radioaktivní rozpad izotopu má poločas rozpadu, který převyšuje stáří vesmíru „o mnoho řádů“, ale dosud se neobjevil žádný důkaz tohoto procesu.

Mezinárodní tým fyziků, jehož členy jsou tři výzkumníci z Riceovy univerzity – docent Christopher Tunnell, hostující vědec Junji Naganoma a odborný asistent Petr Chaguine – oznámil první přímé pozorování dvojitého záchytu elektronů dvěma neutriny u xenonu 124, fyzikálního procesu, při kterém se rozpadá. Jejich práce vyšla tento týden v časopise Nature.

Ačkoli většina izotopů xenonu má poločas rozpadu kratší než 12 dní, několik z nich je považováno za výjimečně dlouho žijící a v podstatě stabilní. Xenon 124 je jedním z nich, ačkoli vědci odhadli jeho poločas rozpadu na telur 124 na 160 bilionů let. Předpokládá se, že stáří vesmíru je pouhých 13 až 14 miliard let.

Nové zjištění určuje poločas rozpadu xenonu 124 blíže k 18 sextilionům let. (Pro zajímavost, to je 18 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.)

Poloviční doba rozpadu neznamená, že rozpad každého atomu trvá tak dlouho. Toto číslo pouze udává, jak dlouho bude v průměru trvat, než se většina radioaktivního materiálu zmenší na polovinu. Přesto je šance, že takovou událost uvidíme v případě xenonu 124, mizivá – ledaže bychom shromáždili dostatečné množství atomů xenonu a umístili je na „nejradioaktivnější místo na Zemi“, řekl Tunnell.

„Klíčové je, že tu máme tolik atomů, takže pokud se nějaký rozpadne, uvidíme ho,“ řekl. „Máme (doslova) tunu materiálu.“

Tím místem, zasazeným hluboko do nitra hory v Itálii, je komora, která obsahuje tunu vysoce přečištěného kapalného xenonu, všemožně chráněného před radioaktivním rušením.

Jmenuje se experiment XENON1T a je poslední z řady komor, jejichž cílem je najít první přímý důkaz existence temné hmoty, záhadné látky, o níž se předpokládá, že tvoří většinu hmoty ve vesmíru.

Má možnost pozorovat i další unikátní přírodní jevy. Jednou z takových sond v posledním ročním běhu bylo sledování předpokládaného rozpadu xenonu 124. Třídění hromady dat produkovaných komorou odhalilo „desítky“ těchto rozpadů, řekl Tunnell, který letos nastoupil do Rice v rámci univerzitní iniciativy Data Science Initiative.

„Vidíme jednotlivé neutrony, jednotlivé fotony, jednotlivé elektrony,“ řekl. „Všechno, co vstoupí do tohoto detektoru, nějakým způsobem uloží energii a je to měřitelné.“ XENON1T dokáže detekovat fotony, které ožívají v kapalném prostředí, stejně jako elektrony přitahované do horní vrstvy nabitého xenonového plynu. Obojí vzniká při rozpadu xenonu 124.

„Existují různé způsoby, jak se může radioaktivní izotop rozpadat,“ řekl. „Jedním z nich je rozpad beta. To znamená, že z něj vychází elektron. Může dojít k rozpadu alfa, kdy dojde k vyvržení části jádra a uvolnění energie. A pak je tu elektronový záchyt, kdy elektron vstoupí do jádra a přemění proton na neutron. Tím se změní složení jádra a dojde k jeho rozpadu.

„Za normálních okolností do jádra vstupuje jeden elektron a z něj vychází jedno neutrino,“ řekl Tunnell. „Toto neutrino má pevně stanovenou energii, čímž jádro vyloučí svou hmotnost. S tímto procesem se v jaderné částicové fyzice setkáváme často a je poměrně dobře pochopen. Nikdy jsme však neviděli, že by do jádra přišly dva elektrony najednou a uvolnily dvě neutrina.“

Fotony se uvolňují při kaskádovém pohybu elektronů, které zaplňují nižší volná místa kolem jádra. Na grafu se objeví jako hrbol, který lze interpretovat pouze jako vícenásobné zachycení dvou neutrin dvojitým elektronem. „Nelze to vysvětlit žádnými jinými zdroji pozadí, o kterých víme,“ řekl Tunnell, který dva roky působil jako koordinátor analýzy.

XENON1T zůstává největším a nejcitlivějším detektorem slabě interagujících hmotných částic na světě, známých také jako WIMP, hypotetických částic, o nichž se předpokládá, že tvoří temnou hmotu. Tunnell pracoval na XENON1T s kolegou Naganomou z Rice, který zastával funkci vedoucího provozu.

Vědci, kteří tvoří XENON Collaboration a všichni jsou spoluautory článku, zatím temnou hmotu nedetekovali, ale pro další hledání se buduje větší přístroj XENONnT. Chaguine je vedoucím uvedení nového přístroje do provozu a je zodpovědný za jeho konstrukci.

Příklad kolaborace by mohl vést vědce k nalezení dalších exotických procesů nesouvisejících s temnou hmotou, uvedl Tunnell, včetně probíhajícího pátrání po dalším nepozorovaném procesu, bezneutrinovém dvojitém záchytu elektronů, při kterém se neuvolňují žádná neutrina. Tento proces by podle něj „měl důsledky pro povahu neutrin a umožnil by přístup k absolutní hmotnosti neutrin.“

„Začíná to být složité, protože zatímco se snažíme o vědecké výsledky, musíme také přemýšlet o tom, co dalšího můžeme s experimentem dělat,“ řekl Tunnelle. „Máme spoustu studentů, kteří hledají diplomové projekty, takže si uděláme seznam deseti nebo dvaceti dalších měření – ale jsou to výstřely do tmy a téměř vždy na nic nepřijdeme, jak je pro vědu řízenou zvědavostí typické.“

„V tomto případě jsme vystřelili do tmy, kde dva nebo tři studenti měli velké štěstí,“ řekl.