理論的には、同位体の放射性崩壊の半減期は宇宙の年齢を「何桁も」上回ることが予測されているが、そのプロセスの証拠は今まで現れていなかった。
ライス大学の3人の研究者（Christopher Tunnell助教授、客員研究員のJunji Naganoma氏、Petr Chaguine助教授）を含む物理学者の国際チームは、キセノン124の2ニュートリノ2電子捕獲を初めて直接観測し、それが崩壊する物理過程を報告しています。 彼らの論文は、今週のNature誌に掲載されます。
ほとんどのキセノン同位体の半減期は12日未満ですが、いくつかは例外的に長寿命で、本質的に安定していると考えられています。 キセノン124はそのうちの1つですが、研究者はテルル124に崩壊するため、その半減期を160兆年と推定しています。 2076>
今回の発見により、キセノン124の半減期は186兆年に近づいたと考えられる。 (ちなみに、これは18,000,000,000,000年です。)
半減期は、それぞれの原子が崩壊するのにかかる時間を意味するものではありません。 この数字は、放射性物質の大部分が半分になるのに、平均してどのくらいかかるかを示しているだけです。
「ここで重要なのは、私たちは非常に多くの原子を持っているので、もしどれかが崩壊すれば、それを見ることができるということです」と彼は言いました。 「私たちは、（文字通りの）1トンの材料を持っています」
その場所は、イタリアの山の奥深くに設置され、放射線の干渉からあらゆる方法で保護された、1トンの高純度液体キセノンを含む部屋となっています。
XENON1T実験と呼ばれるこの実験室は、宇宙の物質の大部分を占めると考えられている謎の物質、暗黒物質の最初の直接的証拠を見つけるために設計された一連の実験室の中で最新のもので、
他のユニークな自然現象を観察する能力も持っています。 最新の1年間の観測では、キセノン124の予測される崩壊を監視することも行われました。 チェンバーによって生成されたデータの山を整理すると、これらの崩壊の「数十」が明らかになったと、大学のデータ科学イニシアチブの一環として今年ライスに加わったTunnell氏は述べました。 「この検出器に入るものはすべて何らかの形でエネルギーを蓄積し、それが測定可能なのです」。 XENON1Tは、帯電したキセノンガスの最上層に引き寄せられた電子と同様に、液体媒体中に湧き出る光子を検出することができます。 どちらもキセノン124が崩壊するときに発生します。
「放射性同位体が崩壊するには、さまざまな方法があります」と彼は言います。 「ひとつはベータ崩壊です。 これは電子が出てくるということです。 アルファ崩壊がありますが、これはエネルギーを放出するために原子核の一部を吐き出すということです。 そして、電子が原子核の中に入り、陽子を中性子に変える電子捕獲があります。 2076>
「通常、1個の電子が入ってきて、1個のニュートリノが出てきます」とTunnell氏は言います。 「そのニュートリノは一定のエネルギーを持っていて、それによって原子核はその質量を吐き出すのです。 これは、素粒子物理学でよく見られるプロセスで、かなりよく理解されています。 しかし、2つの電子が同時に原子核に入り、2つのニュートリノを放出するのを見たことはありませんでした。」
光子は、電子が原子核の周りの低い空孔を埋めるためにカスケードする際に放出されます。 それらは、複数の2個のニュートリノ二重電子捕獲としか解釈できないグラフ上の瘤として現れる。 「2076>
XENON1T は、弱反応性大質量粒子、別名 WIMP、暗黒物質を構成すると考えられている仮説的な粒子に対する世界最大かつ最も感度の高い検出器のままであります。 Tunnell 氏は、オペレーション マネージャーを務めたライス大学の同僚 Naganoma 氏とともに XENON1T で働きました。
この論文の共著者である XENON Collaboration を構成する研究者は、まだ暗黒物質を発見していませんが、より大きな装置 XENONnT が建設中で、この研究をさらに進めています。
この共同研究の例は、暗黒物質とは無関係の他のエキゾチックなプロセスを見つけることにつながるかもしれないと、Tunnell氏は言う。例えば、別の未知のプロセス、ニュートリノを放出しない二重電子捕獲を現在探索中である。 論文によれば、その過程は「ニュートリノの性質に影響を与え、ニュートリノの絶対質量へのアクセスを与えるだろう」
「厄介なことに、我々が行おうとしている科学がある一方で、その実験を使って他に何ができるかを考えなければなりません」と彼は言いました。 「しかし、それらは暗闇の中の一撃であり、好奇心主導の科学の典型であるように、ほとんどいつも何も思いつきません」
「このケースでは、2、3の学生が非常に幸運だった暗闇の中の一撃を受けました。