La teoria prevede che il decadimento radioattivo dell’isotopo abbia un tempo di dimezzamento che supera l’età dell’universo “di molti ordini di grandezza”, ma nessuna prova del processo è apparsa finora.

Un team internazionale di fisici che include tre ricercatori della Rice University – l’assistente professore Christopher Tunnell, il visiting scientist Junji Naganoma e l’assistente professore di ricerca Petr Chaguine – ha riportato la prima osservazione diretta della cattura di elettroni doppi a due neutrini per lo xeno 124, il processo fisico con cui decade. Il loro articolo appare questa settimana sulla rivista Nature.

Mentre la maggior parte degli isotopi dello xeno hanno emivite inferiori a 12 giorni, alcuni sono ritenuti eccezionalmente longevi ed essenzialmente stabili. Lo xeno 124 è uno di questi, anche se i ricercatori hanno stimato il suo tempo di dimezzamento a 160 trilioni di anni mentre decade in tellurio 124. Si presume che l’universo abbia solo 13-14 miliardi di anni.

La nuova scoperta pone il tempo di dimezzamento dello xeno 124 più vicino a 18 sestilioni di anni. (Per la cronaca, sono 18.000.000.000.000.000.000.000.000.000.)

Metà vita non significa che ogni atomo impiega così tanto tempo a decadere. Il numero indica semplicemente quanto tempo, in media, ci vorrà perché la maggior parte di un materiale radioattivo si riduca della metà. Eppure, la possibilità di vedere un tale incidente per lo xeno 124 è incredibilmente piccola – a meno che non si raccolga abbastanza atomi di xeno e li metta nel “luogo più radiopuro della Terra”, ha detto Tunnell.

“Un punto chiave qui è che abbiamo così tanti atomi, quindi se qualsiasi decadimento, lo vedremo”, ha detto. “Abbiamo una tonnellata (letterale) di materiale”.

Quel posto, situato nelle profondità di una montagna in Italia, è una camera che contiene una tonnellata di xeno liquido altamente purificato e schermato in ogni modo possibile dalle interferenze radioattive.

Chiamato esperimento XENON1T, è l’ultimo di una serie di camere progettate per trovare la prima prova diretta della materia oscura, la misteriosa sostanza che si pensa rappresenti la maggior parte della materia nell’universo.

Ha la capacità di osservare anche altri fenomeni naturali unici. Una di queste sonde nell’ultimo anno di attività è stata quella di monitorare il decadimento previsto dello xeno 124. Ordinando attraverso il mucchio di dati prodotti dalla camera ha rivelato “decine” di questi decadimenti, ha detto Tunnell, che è entrato alla Rice quest’anno come parte della Data Science Initiative dell’università.

“Possiamo vedere singoli neutroni, singoli fotoni, singoli elettroni”, ha detto. “Tutto ciò che entra in questo rivelatore depositerà energia in qualche modo, ed è misurabile”. XENON1T può rilevare i fotoni che nascono nel mezzo liquido così come gli elettroni attirati in uno strato superiore di gas xeno carico. Entrambi sono prodotti quando lo xeno 124 decade.

“Ci sono diversi modi in cui un isotopo radioattivo può decadere”, ha detto. “Uno è il decadimento beta. Questo significa che esce un elettrone. Si può avere il decadimento alfa, dove sputa fuori parte del nucleo per rilasciare energia. E c’è la cattura elettronica, quando un elettrone entra nel nucleo e trasforma un protone in un neutrone. Questo cambia la composizione del nucleo e provoca il suo decadimento.

“Normalmente, si ha un elettrone che entra e un neutrino che esce”, ha detto Tunnell. “Quel neutrino ha un’energia fissa, ed è così che il nucleo espelle la sua massa. Questo è un processo che vediamo spesso nella fisica delle particelle nucleari, ed è abbastanza ben compreso. Ma non avevamo mai visto due elettroni entrare nel nucleo allo stesso tempo ed emettere due neutrini”.”

I fotoni vengono rilasciati quando gli elettroni cadono a cascata per riempire i vuoti inferiori intorno al nucleo. Si presentano come una protuberanza su un grafico che può essere interpretata solo come catture multiple di due neutrini a doppio elettrone. “Non può essere spiegato con altre fonti di fondo che conosciamo”, ha detto Tunnell, che ha servito come coordinatore delle analisi per due anni.

XENON1T rimane il rivelatore più grande e più sensibile del mondo per le particelle massive debolmente interattive, alias WIMPs, le ipotetiche particelle che si ritiene costituiscano la materia oscura. Tunnell ha lavorato a XENON1T con il collega di Rice Naganoma, che ha ricoperto il ruolo di direttore delle operazioni.

I ricercatori che compongono la XENON Collaboration, tutti coautori dell’articolo, non hanno ancora rilevato la materia oscura, ma uno strumento più grande, XENONnT, è in costruzione per proseguire la ricerca. Chaguine è il responsabile della messa in funzione del nuovo strumento, responsabile della sua costruzione.

L’esempio della collaborazione potrebbe portare i ricercatori a trovare altri processi esotici non collegati alla materia oscura, ha detto Tunnell, compresa la caccia in corso per un altro processo mai visto, la cattura di elettroni doppi senza neutrini, in cui non vengono rilasciati neutrini. Quel processo, secondo il documento, “avrebbe implicazioni per la natura del neutrino e darebbe accesso alla massa assoluta del neutrino.”

“Diventa difficile, perché mentre abbiamo la scienza che stiamo cercando di fare, dobbiamo anche pensare a cos’altro possiamo fare con l’esperimento”, ha detto. “Abbiamo un sacco di studenti che cercano progetti di tesi, quindi facciamo una lista di 10 o 20 altre misurazioni – ma sono uno sparo nel buio, e quasi sempre non otteniamo nulla, come è tipico della scienza guidata dalla curiosità.

“In questo caso, abbiamo fatto uno sparo nel buio dove due o tre studenti sono stati molto fortunati”, ha detto.