Teorien forudsiger, at isotopens radioaktive henfald har en halveringstid, der overgår universets alder “med mange størrelsesordener”, men der er indtil nu ikke fundet beviser for processen.

Et internationalt hold af fysikere, der omfatter tre forskere fra Rice University – assisterende professor Christopher Tunnell, gæsteforsker Junji Naganoma og assisterende forskningsprofessor Petr Chaguine – har rapporteret om den første direkte observation af dobbelt elektronindfangning med to neutrinos for xenon 124, den fysiske proces, hvorved det henfalder. Deres artikel udkommer i denne uge i tidsskriftet Nature.

Mens de fleste xenonisotoper har en halveringstid på mindre end 12 dage, men nogle få menes at have en usædvanlig lang levetid og er i bund og grund stabile. Xenon 124 er en af dem, selv om forskerne har anslået dens halveringstid til 160 billioner år, da den henfalder til tellurium 124. Universet formodes kun at være 13-14 milliarder år gammelt.

Den nye opdagelse sætter halveringstiden for xenon 124 tættere på 18 sextillion år. (For en god ordens skyld, det er 18.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.)

Den halve levetid betyder ikke, at det tager så lang tid for hvert atom at henfalde. Tallet angiver blot, hvor lang tid det i gennemsnit vil tage for hovedparten af et radioaktivt materiale at reducere sig selv med halvdelen. Alligevel er chancen for at se en sådan hændelse for xenon 124 forsvindende lille – medmindre man samler nok xenonatomer og placerer dem på det “mest radioaktive sted på Jorden”, sagde Tunnell.

“En vigtig pointe her er, at vi har så mange atomer, så hvis et atom henfalder, vil vi se det,” sagde han. “Vi har et (bogstaveligt talt) ton materiale.”

Dette sted, der ligger dybt inde i et bjerg i Italien, er et kammer, der indeholder et ton stærkt renset flydende xenon, der er afskærmet på alle mulige måder mod radioaktiv interferens.

Det kaldes XENON1T-eksperimentet og er det seneste i en række kamre, der er designet til at finde de første direkte beviser på mørkt stof, det mystiske stof, der menes at udgøre det meste af universets stof.

Det har også mulighed for at observere andre unikke naturfænomener. En af disse sonder i den seneste årslange tur var at overvåge for det forudsagte henfald af xenon 124. Sortering af den bunke data, som kammeret producerede, afslørede “snesevis” af disse henfald, sagde Tunnell, som kom til Rice i år som en del af universitetets Data Science Initiative.

“Vi kan se enkelte neutroner, enkelte fotoner, enkelte elektroner,” sagde han. “Alt, hvad der kommer ind i denne detektor, vil deponere energi på en eller anden måde, og det kan måles.” XENON1T kan detektere fotoner, der springer til i det flydende medium, samt elektroner, der trækkes til et øverste lag af ladet xenongas. Begge dele produceres, når xenon 124 henfalder.

“Der er forskellige måder, hvorpå en radioaktiv isotop kan henfalde,” sagde han. “Den ene er beta-henfald. Det betyder, at der kommer en elektron ud. Man kan have alfahenfald, hvor den spytter en del af kernen ud for at frigive energi. Og så er der elektronindfangning, hvor en elektron går ind i kernen og forvandler en proton til en neutron. Dette ændrer kernenes sammensætning og resulterer i dens henfald.

“Normalt kommer der en elektron ind og en neutrino ud,” sagde Tunnell. “Den neutrino har en fast energi, og det er sådan, at kernen udstøder sin masse. Det er en proces, vi ofte ser i kernepartikelfysik, og den er ret godt forstået. Men vi havde aldrig set to elektroner komme ind i kernen på samme tid og afgive to neutrinoer.”

Fotonerne frigives, når elektronerne kaskaderes for at fylde de lavere ledige pladser omkring kernen. De viser sig som en bule på en graf, der kun kan fortolkes som flere dobbeltelektronindfangninger med to neutrinos. “Det kan ikke forklares med andre baggrundskilder, som vi kender til,” sagde Tunnell, der fungerede som analysekoordinator i to år.

XENON1T er fortsat verdens største og mest følsomme detektor for svagt interaktive massive partikler, også kaldet WIMP’er, de hypotetiske partikler, der menes at udgøre mørkt stof. Tunnell arbejdede på XENON1T sammen med Rice-kollegaen Naganoma, der var driftsleder.

De forskere, der udgør XENON-samarbejdet, som alle er medforfattere på artiklen, har endnu ikke opdaget mørkt stof, men et større instrument, XENONnT, er ved at blive bygget for at fremme søgningen. Chaguine er det nye instruments commissioning manager, der er ansvarlig for dets konstruktion.

Samarbejdets eksempel kan føre forskere til at finde andre eksotiske processer, der ikke har noget med mørkt stof at gøre, sagde Tunnell, herunder den igangværende jagt på en anden uset proces, neutrinoløs dobbelt elektronindfangning, hvor der ikke frigives neutrinos. Denne proces ville ifølge artiklen “have konsekvenser for neutrinoens natur og give adgang til den absolutte neutrino-masse.”

“Det bliver vanskeligt, for mens vi har den videnskab, vi forsøger at gøre, skal vi også tænke på, hvad vi ellers kan gøre med eksperimentet,” sagde han. “Vi har mange studerende, der leder efter specialeprojekter, så vi laver en liste med 10 eller 20 andre målinger – men de er et skud i mørket, og vi finder næsten altid ingenting, hvilket er typisk for nysgerrighedsdrevet videnskab.”

“I dette tilfælde tog vi et skud i mørket, hvor to eller tre studerende var meget heldige,” sagde han.