Az elmélet szerint az izotóp radioaktív bomlása olyan felezési idővel rendelkezik, amely “nagyságrendekkel” meghaladja az univerzum korát, de a folyamatra eddig nem találtak bizonyítékot.

Egy nemzetközi fizikuscsoport, amelynek tagja a Rice Egyetem három kutatója – Christopher Tunnell adjunktus, Naganoma Junji vendégkutató és Petr Chaguine kutatóprofesszor – jelentette a xenon 124 esetében a két neutrínó kettős elektron befogásának első közvetlen megfigyelését, azt a fizikai folyamatot, amelynek során a xenon 124 bomlik. Publikációjuk ezen a héten jelenik meg a Nature folyóiratban.

Míg a legtöbb xenonizotóp felezési ideje kevesebb, mint 12 nap, néhányat kivételesen hosszú élettartamúnak és lényegében stabilnak tartanak. A xenon 124 egyike ezeknek, bár a kutatók 160 trillió évre becsülték a felezési idejét, mivel tellur 124-re bomlik. A feltételezések szerint a világegyetem csupán 13-14 milliárd éves.

Az új felfedezés szerint a xenon 124 felezési ideje közelebb van a 18 szextilliárd évhez. (Csak a rend kedvéért, ez 18 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.)

A felezési idő nem azt jelenti, hogy ennyi idő alatt bomlik el egy-egy atom. A szám egyszerűen azt jelzi, hogy átlagosan mennyi időbe telik, amíg egy radioaktív anyag nagy része a felére csökken. Mégis, a xenon 124 esetében elenyészően kicsi az esélye annak, hogy ilyen eseményt lássunk – hacsak nem gyűjtünk össze elég xenonatomot, és nem helyezzük őket a “Föld legtisztább radioaktív helyére”, mondta Tunnell.

“A lényeg itt az, hogy nagyon sok atomunk van, így ha valamelyik bomlik, azt látni fogjuk” – mondta. “Egy (szó szerint) tonnányi anyagunk van.”

Ez a hely, amely egy olaszországi hegy mélyén található, egy kamra, amely egy tonna erősen tisztított folyékony xenont tartalmaz, minden lehetséges módon leárnyékolva a radioaktív interferenciától.

A XENON1T kísérletnek hívják, és ez a legújabb a kamrák sorában, amelyek célja, hogy megtalálják az első közvetlen bizonyítékot a sötét anyagra, arra a rejtélyes anyagra, amelyről úgy gondolják, hogy a világegyetem anyagának nagy részét teszi ki.

A kamra más egyedülálló természeti jelenségek megfigyelésére is alkalmas. A legutóbbi egyéves futás egyik ilyen szondája a xenon 124 előre jelzett bomlásának megfigyelésére szolgált. A kamra által termelt adathalom átválogatása során “több tíz” ilyen bomlást fedezett fel, mondta Tunnell, aki idén csatlakozott a Rice-hoz az egyetem adattudományi kezdeményezésének részeként.

“Látunk egyetlen neutront, egyetlen fotont, egyetlen elektront” – mondta. “Minden, ami belép ebbe a detektorba, valamilyen módon energiát ad le, és ez mérhető”. A XENON1T képes észlelni a folyékony közegben megelevenedő fotonokat, valamint a töltött xenongáz felső rétegébe húzódó elektronokat. Mindkettő a xenon 124 bomlásakor keletkezik.

“Egy radioaktív izotóp különböző módon bomolhat” – mondta. “Az egyik a béta bomlás. Ez azt jelenti, hogy egy elektron távozik. Lehet alfa-bomlás, amikor az atommag egy részét kiköpi, hogy energiát szabadítson fel. És van az elektronbefogás, amikor egy elektron bemegy az atommagba, és egy protont neutronná alakít. Ez megváltoztatja az atommag összetételét, és bomlást eredményez.

“Normális esetben egy elektron jön be, és egy neutrínó jön ki” – mondta Tunnell. “Ennek a neutrínónak van egy meghatározott energiája, így az atommag kilöki a tömegét. Ezt a folyamatot gyakran látjuk a nukleáris részecskefizikában, és elég jól értjük. De még soha nem láttunk két elektront egyszerre belépni az atommagba, és két neutrínót kibocsátani.”

A fotonok akkor szabadulnak fel, amikor az elektronok kaszkádszerűen kitöltik az atommag körüli alacsonyabb üres helyeket. Ezek dudorként jelennek meg a grafikonon, amit csak többszörös két neutrínó kettős elektron befogásaként lehet értelmezni. “Ez nem magyarázható semmilyen más, általunk ismert háttérforrással” – mondta Tunnell, aki két évig volt az elemzés koordinátora.

A XENON1T továbbra is a világ legnagyobb és legérzékenyebb detektora a gyenge kölcsönhatású masszív részecskék, más néven WIMP-ek, vagyis a sötét anyagot feltételezhetően alkotó hipotetikus részecskék számára. Tunnell a XENON1T-nél a Rice munkatársával, Naganomával dolgozott, aki az üzemeltetés vezetője volt.

A XENON Collaborationt alkotó kutatók, akik mindannyian társszerzők a tanulmányban, még nem tudtak sötét anyagot kimutatni, de egy nagyobb műszer, a XENONnT építése folyamatban van a kutatás folytatására. Chaguine az új műszer üzembe helyezési vezetője, aki az építéséért felel.

A kollaboráció példája elvezetheti a kutatókat más, a sötét anyaghoz nem kapcsolódó egzotikus folyamatok megtalálására, mondta Tunnell, beleértve egy másik eddig nem látott folyamat, a neutrinó nélküli kettős elektronbefogás folyamatban lévő vadászatát, amelyben nem szabadulnak fel neutrínók. Ez a folyamat a tanulmány szerint “hatással lenne a neutrínó természetére, és hozzáférést adna az abszolút neutrínótömeghez.”

“Trükkössé válik a dolog, mert miközben megvan a tudomány, amivel próbálkozunk, arra is gondolnunk kell, hogy mi mást tehetünk még a kísérlettel” – mondta. “Sok diákunk van, akik diplomamunkát keresnek, így készítünk egy listát 10 vagy 20 egyéb mérésről — de ezek egy lövés a sötétbe, és szinte mindig semmire sem jutunk, ahogy az a kíváncsiság által vezérelt tudományra jellemző.”

“Ebben az esetben egy lövést tettünk a sötétbe, ahol két vagy három diák nagyon szerencsés volt” – mondta.