Die Theorie sagt voraus, dass der radioaktive Zerfall des Isotops eine Halbwertszeit hat, die das Alter des Universums „um viele Größenordnungen“ übertrifft, aber bisher gab es keinen Beweis für diesen Prozess.

Ein internationales Team von Physikern, dem auch drei Forscher der Rice University angehören – Assistenzprofessor Christopher Tunnell, Gastwissenschaftler Junji Naganoma und Assistenzprofessor Petr Chaguine – haben die erste direkte Beobachtung des Zwei-Neutrino-Doppelelektroneneinfangs für Xenon 124, den physikalischen Prozess, durch den es zerfällt, gemeldet. Ihre Arbeit erscheint diese Woche in der Zeitschrift Nature.

Während die meisten Xenon-Isotope eine Halbwertszeit von weniger als 12 Tagen haben, gelten einige wenige als außergewöhnlich langlebig und im Wesentlichen stabil. Xenon 124 ist eines davon, obwohl Forscher seine Halbwertszeit auf 160 Billionen Jahre geschätzt haben, da es in Tellur 124 zerfällt. Man geht davon aus, dass das Universum nur 13 bis 14 Milliarden Jahre alt ist.

Die neue Entdeckung setzt die Halbwertszeit von Xenon 124 auf 18 Sextillionen Jahre an. (Fürs Protokoll, das sind 18.000.000.000.000.000.000.000.)

Halbwertszeit bedeutet nicht, dass es so lange dauert, bis jedes Atom zerfällt. Die Zahl gibt lediglich an, wie lange es im Durchschnitt dauert, bis der größte Teil eines radioaktiven Stoffes um die Hälfte reduziert ist. Dennoch ist die Chance, einen solchen Vorfall bei Xenon 124 zu beobachten, verschwindend gering – es sei denn, man sammelt genügend Xenon-Atome und bringt sie an den „radioaktivsten Ort der Erde“, so Tunnell.

„Ein wichtiger Punkt ist, dass wir so viele Atome haben, dass wir jeden Zerfall sehen werden“, sagte er. „Wir haben eine (buchstäbliche) Tonne Material.“

Dieser Ort, tief im Inneren eines Berges in Italien, ist eine Kammer, die eine Tonne hochgereinigtes flüssiges Xenon enthält, das auf jede erdenkliche Weise vor radioaktiven Störungen geschützt ist.

Das so genannte XENON1T-Experiment ist das jüngste in einer Reihe von Kammern, die den ersten direkten Beweis für dunkle Materie liefern sollen, die geheimnisvolle Substanz, von der man annimmt, dass sie den größten Teil der Materie im Universum ausmacht.

Sie ist in der Lage, auch andere einzigartige Naturphänomene zu beobachten. Eine dieser Sonden, die seit einem Jahr läuft, sollte den vorhergesagten Zerfall von Xenon 124 überwachen. Die Sortierung der von der Kammer erzeugten Daten ergab „Dutzende“ solcher Zerfälle, sagte Tunnell, der in diesem Jahr im Rahmen der Data Science Initiative der Universität zu Rice kam.

„Wir können einzelne Neutronen, einzelne Photonen, einzelne Elektronen sehen“, sagte er. „Alles, was in diesen Detektor eintritt, gibt auf irgendeine Weise Energie ab, und das ist messbar.“ XENON1T kann sowohl Photonen nachweisen, die in dem flüssigen Medium entstehen, als auch Elektronen, die in die oberste Schicht des geladenen Xenongases gezogen werden. Beides entsteht, wenn Xenon 124 zerfällt.

„Es gibt verschiedene Arten, wie ein radioaktives Isotop zerfallen kann“, sagte er. „Einer ist der Betazerfall. Das bedeutet, dass ein Elektron herauskommt. Es gibt den Alphazerfall, bei dem ein Teil des Kerns abgespalten wird, um Energie freizusetzen. Und es gibt den Elektroneneinfang, bei dem ein Elektron in den Kern eindringt und ein Proton in ein Neutron verwandelt. Dies verändert die Zusammensetzung des Kerns und führt zu seinem Zerfall.

„Normalerweise kommt ein Elektron hinein und ein Neutrino heraus“, so Tunnell. „Dieses Neutrino hat eine bestimmte Energie, wodurch der Kern seine Masse abgibt. Diesen Prozess sehen wir in der Kernteilchenphysik häufig und er ist recht gut verstanden. Aber wir haben noch nie gesehen, dass zwei Elektronen gleichzeitig in den Kern eindringen und zwei Neutrinos abgeben.“

Die Photonen werden freigesetzt, wenn die Elektronen kaskadenartig die unteren Leerstellen um den Kern herum füllen. Sie zeigen sich als Beule in einer Grafik, die nur als mehrfache Zwei-Neutrino-Doppelelektroneneinschläge interpretiert werden kann. Tunnell, der zwei Jahre lang als Analysekoordinator tätig war, sagte: „Das kann mit keiner anderen uns bekannten Hintergrundquelle erklärt werden.“

XENON1T ist nach wie vor der weltweit größte und empfindlichste Detektor für schwach wechselwirkende massive Teilchen, auch bekannt als WIMPs, die hypothetischen Teilchen, von denen angenommen wird, dass sie die dunkle Materie bilden. Tunnell arbeitete bei XENON1T zusammen mit seinem Kollegen Naganoma aus Rice, der als Betriebsleiter fungierte.

Die Forscher der XENON-Kollaboration, die alle Mitautoren der Studie sind, haben die dunkle Materie noch nicht entdeckt, aber ein größeres Instrument, XENONnT, wird derzeit gebaut, um die Suche zu vertiefen. Chaguine ist der für den Bau des neuen Instruments verantwortliche Inbetriebnahmemanager.

Das Beispiel der Kollaboration könnte Forscher dazu veranlassen, andere exotische Prozesse zu finden, die nichts mit dunkler Materie zu tun haben, so Tunnell, einschließlich der laufenden Suche nach einem anderen ungesehenen Prozess, dem neutrinolosen Doppelelektroneneinfang, bei dem keine Neutrinos freigesetzt werden. Dieser Prozess, so heißt es in dem Papier, „hätte Auswirkungen auf die Natur des Neutrinos und würde uns Zugang zur absoluten Neutrinomasse verschaffen.“

„Es wird schwierig, denn während wir die Wissenschaft betreiben, müssen wir auch darüber nachdenken, was wir sonst noch mit dem Experiment machen können“, sagte er. „Wir haben viele Studenten, die ein Projekt für ihre Abschlussarbeit suchen, also machen wir eine Liste mit 10 oder 20 anderen Messungen – aber sie sind ein Schuss ins Blaue, und wir finden fast immer nichts, wie es typisch ist für die von Neugier getriebene Wissenschaft.

„In diesem Fall haben wir einen Schuss ins Blaue gemacht, bei dem zwei oder drei Studenten sehr viel Glück hatten“, sagte er.