Teorian mukaan isotoopin radioaktiivisen hajoamisen puoliintumisaika ylittää maailmankaikkeuden iän ”monella suuruusluokalla”, mutta mitään todisteita prosessista ei ole esiintynyt tähän mennessä.

Kansainvälinen fyysikkoryhmä, johon kuuluu kolme Ricen yliopiston tutkijaa — apulaisprofessori Christopher Tunnell, vieraileva tutkija Junji Naganoma ja apulaistutkimusprofessori Petr Chaguine — on raportoinut ensimmäisestä suorasta havainnosta ksenon 124:n kahden neutriinon kaksoiselektronin sieppauksesta, fysikaalisesta prosessista, jolla se hajoaa. Heidän artikkelinsa ilmestyy tällä viikolla Nature-lehdessä.

Vaikka useimpien ksenonin isotooppien puoliintumisaika on alle 12 päivää, muutamien isotooppien uskotaan olevan poikkeuksellisen pitkäikäisiä ja pohjimmiltaan vakaita. Ksenon 124 on yksi näistä, vaikka tutkijat ovat arvioineet sen puoliintumisajaksi 160 biljoonaa vuotta sen hajotessa tellurium 124:ksi. Maailmankaikkeuden oletetaan olevan vain 13-14 miljardia vuotta vanha.

Uuden havainnon mukaan ksenon 124:n puoliintumisaika on lähempänä 18 sekstimiljoonaa vuotta. Luku vain kertoo, kuinka kauan keskimäärin kestää, että suurin osa radioaktiivisesta aineesta hajoaa puoleen. Silti mahdollisuus nähdä tällainen tapahtuma ksenon 124:n kohdalla on häviävän pieni – ellei kerätä tarpeeksi ksenon-atomeja ja panna niitä ”maapallon radioaktiivisimpaan paikkaan”, Tunnell sanoi.

”Keskeistä tässä on se, että meillä on niin paljon atomeja, joten jos yksikin niistä hajoaa, näemme sen”, hän sanoi. ”Meillä on (kirjaimellisesti) tonni materiaalia.”

Tämä paikka, joka on sijoitettu syvälle vuoren sisälle Italiaan, on kammio, joka sisältää tonnin verran erittäin puhdistettua nestemäistä ksenonia, joka on suojattu kaikin mahdollisin tavoin radioaktiivisilta häiriöiltä.

Nimeltään XENON1T-kokeilu on viimeisin kammioista, joiden tarkoituksena on löytää ensimmäiset suorat todisteet pimeästä aineesta, salaperäisestä aineesta, jonka uskotaan muodostavan suurimman osan maailmankaikkeuden materiasta.

Kammiossa pystytään havainnoimaan myös muita ainutlaatuisia luonnonilmiöitä. Yksi tällainen luotain viimeisimmässä vuoden kestäneessä ajossa oli seurata ksenon 124:n ennustettua hajoamista. Lajittelemalla kammion tuottamaa tietopinoa paljastui ”kymmeniä” tällaisia hajoamisia, sanoi Tunnell, joka liittyi tänä vuonna Riceen osana yliopiston Data Science Initiative -aloitetta.

”Näemme yksittäisiä neutroneja, yksittäisiä fotoneja, yksittäisiä elektroneja”, hän sanoi. ”Kaikki, mikä tulee tähän ilmaisimeen, tallettaa energiaa jollakin tavalla, ja se on mitattavissa.” XENON1T pystyy havaitsemaan nestemäisessä väliaineessa ponnahtavat fotonit sekä varautuneen ksenonkaasun pintakerrokseen vetäytyvät elektronit. Molemmat syntyvät, kun ksenon 124 hajoaa.

”Radioaktiivinen isotooppi voi hajota eri tavoin”, hän sanoi. ”Yksi on beetahajoaminen. Se tarkoittaa, että elektroni tulee ulos. Voi olla alfahajoaminen, jolloin se sylkee pois osan ytimestä vapauttaakseen energiaa. On myös elektronin sieppaus, jolloin elektroni menee ytimeen ja muuttaa protonin neutroniksi. Tämä muuttaa ytimen koostumusta ja johtaa sen hajoamiseen.

”Normaalisti yksi elektroni tulee sisään ja yksi neutriino tulee ulos”, Tunnell sanoi. ”Tuolla neutriinolla on kiinteä energia, jonka avulla ydin karkottaa massansa. Tätä prosessia näemme usein ydinhiukkasfysiikassa, ja se ymmärretään melko hyvin. Mutta emme olleet koskaan nähneet kahden elektronin tulevan ytimeen samaan aikaan ja luovuttavan kaksi neutriinoa.”

Fotonit vapautuvat elektronien kaskadoidessa täyttämään ytimen ympärillä olevia alempia tyhjiä paikkoja. Ne näkyvät kuoppana kuvaajassa, joka voidaan tulkita vain useiksi kahden neutriinon kaksoiselektronin kaappauksiksi. ”Sitä ei voi selittää millään muulla tuntemallamme taustalähteellä”, sanoo Tunnell, joka toimi analyysikoordinaattorina kaksi vuotta.

XENON1T on edelleen maailman suurin ja herkin detektori heikosti vuorovaikutteisille massiivisille hiukkasille eli WIMPeille, hypoteettisille hiukkasille, joiden uskotaan muodostavan pimeän aineen. Tunnell työskenteli XENON1T:ssä yhdessä Rice-kollegansa Naganoman kanssa, joka toimi operaatiopäällikkönä.

XENON Collaboration -ryhmän tutkijat, jotka kaikki ovat artikkelin kirjoittajia, eivät ole vielä pystyneet havaitsemaan pimeää ainetta, mutta pimeän aineen etsintää varten rakennetaan parhaillaan suurempaa laitetta, XENONnT:tä. Chaguine on uuden instrumentin käyttöönottopäällikkö, joka vastaa sen rakentamisesta.

Tunnellin mukaan kollaboraation esimerkki voi johtaa tutkijoita löytämään muitakin eksoottisia prosesseja, jotka eivät liity pimeään aineeseen, mukaan lukien meneillään oleva toisen näkymättömän prosessin, neutriinittömän kaksoiselektronin sieppauksen, metsästys, jossa neutriinoja ei vapautu. Paperin mukaan tämä prosessi ”vaikuttaisi neutriinon luonteeseen ja antaisi pääsyn absoluuttiseen neutriinomassaan.”

”Siitä tulee hankalaa, koska samalla kun meillä on tiede, jota yritämme tehdä, meidän täytyy myös miettiä, mitä muuta voimme tehdä kokeella”, hän sanoi. ”Meillä on paljon opiskelijoita, jotka etsivät opinnäytetyöprojekteja, joten teemme listan 10 tai 20 muusta mittauksesta – mutta ne ovat laukaus pimeässä, ja melkein aina emme löydä mitään, kuten on tyypillistä uteliaisuuteen perustuvalle tieteelle.”

”Tässä tapauksessa otimme laukauksen pimeässä, jossa kaksi tai kolme opiskelijaa oli hyvin onnekkaita”, hän sanoi.