De theorie voorspelt dat het radioactieve verval van de isotoop een halveringstijd heeft die de leeftijd van het heelal “met vele orden van grootte” overtreft, maar tot nu toe was er geen bewijs van het proces.

Een internationaal team van natuurkundigen, waaronder drie onderzoekers van de Rice University – assistent-professor Christopher Tunnell, gastwetenschapper Junji Naganoma en assistent-onderzoeksprofessor Petr Chaguine – heeft de eerste directe waarneming gerapporteerd van twee-neutrino’s die dubbele elektronen vangen voor xenon 124, het fysische proces waarmee het vervalt. Hun artikel verschijnt deze week in het tijdschrift Nature.

De meeste xenonisotopen hebben een halveringstijd van minder dan 12 dagen, maar van enkele wordt gedacht dat zij uitzonderlijk lang leven en in wezen stabiel zijn. Xenon 124 is er zo een, hoewel onderzoekers de halveringstijd ervan op 160 triljoen jaar hebben geschat, omdat het vervalt in tellurium 124. Het heelal wordt verondersteld slechts 13 tot 14 miljard jaar oud te zijn.

De nieuwe vondst brengt de halfwaardetijd van Xenon 124 dichter bij 18 sextiljoen jaar. (Voor de goede orde, dat is 18.000.000.000.000.000.000.000.)

Halfwaardet betekent niet dat elke atoom er zo lang over doet om te vergaan. Het getal geeft gewoon aan hoe lang het gemiddeld duurt voordat het grootste deel van een radioactieve stof tot de helft is teruggebracht. Toch is de kans om zo’n incident voor xenon 124 te zien heel klein — tenzij men genoeg xenonatomen verzamelt en ze op de “meest radiozuivere plaats op aarde” zet, zei Tunnell.

“Een belangrijk punt hier is dat we zoveel atomen hebben, dus als er een vervalt, zullen we het zien,” zei hij. “We hebben een (letterlijke) ton materiaal.”

Die plaats, diep in een berg in Italië, is een kamer die een ton sterk gezuiverd vloeibaar xenon bevat, op alle mogelijke manieren afgeschermd van radioactieve interferentie.

Dit experiment, XENON1T genaamd, is het laatste in een reeks van kamers die zijn ontworpen om het eerste directe bewijs te vinden van donkere materie, de mysterieuze stof waarvan wordt gedacht dat deze het grootste deel van de materie in het universum uitmaakt.

Het heeft de mogelijkheid om ook andere unieke natuurverschijnselen te observeren. Eén zo’n sonde in het laatste jaar was om te controleren op het voorspelde verval van xenon 124. Het sorteren van de stapel gegevens die door de kamer werd geproduceerd, onthulde “tientallen” van deze vervalgevallen, zei Tunnell, die dit jaar bij Rice kwam als onderdeel van het Data Science Initiative van de universiteit.

“We kunnen afzonderlijke neutronen, afzonderlijke fotonen, afzonderlijke elektronen zien,” zei hij. “Alles wat deze detector binnenkomt, zal op de een of andere manier energie afgeven, en dat is meetbaar.” XENON1T kan fotonen detecteren die in het vloeibare medium tot leven komen, evenals elektronen die naar een toplaag van geladen xenongas worden getrokken. Beide worden geproduceerd wanneer xenon 124 vervalt.

“Er zijn verschillende manieren waarop een radioactieve isotoop kan vervallen,” zei hij. “Een daarvan is bètaverval. Dat betekent dat er een elektron uit komt. Er is alfa-verval, waarbij een deel van de kern wordt weggespuugd om energie vrij te maken. En er is elektronenvangst, waarbij een elektron in de kern gaat en een proton in een neutron verandert. Dit verandert de samenstelling van de kern en resulteert in zijn verval.

“Normaal komt er één elektron in en één neutrino uit,” zei Tunnell. “Dat neutrino heeft een vaste energie, waardoor de kern zijn massa verliest. Dit is een proces dat we vaak zien in de kerndeeltjesfysica, en het wordt vrij goed begrepen. Maar we hadden nog nooit gezien dat twee elektronen tegelijkertijd in de kern kwamen en twee neutrino’s afgaven.”

De fotonen komen vrij als elektronen cascadegewijs lagere vacatures rond de kern opvullen. Ze verschijnen als een bult op een grafiek die alleen kan worden geïnterpreteerd als meervoudige twee-neutrino dubbel-elektronvangsten. “Het kan niet worden verklaard met andere achtergrondbronnen die we kennen,” zei Tunnell, die twee jaar als analysecoördinator diende.

XENON1T blijft ’s werelds grootste, meest gevoelige detector voor zwak interactieve massieve deeltjes, aka WIMPs, de hypothetische deeltjes die verondersteld worden donkere materie te vormen. Tunnell werkte aan XENON1T met Rice-collega Naganoma, die als operationeel manager fungeerde.

De onderzoekers die de XENON Collaboration vormen en die allen co-auteur zijn van het artikel, hebben nog geen donkere materie gedetecteerd, maar een groter instrument, XENONnT, wordt gebouwd om de zoektocht te bevorderen. Chaguine is de commissioning manager van het nieuwe instrument, verantwoordelijk voor de bouw ervan.

Het voorbeeld van de samenwerking zou onderzoekers kunnen leiden tot het vinden van andere exotische processen die geen verband houden met donkere materie, zei Tunnell, inclusief de lopende jacht op een ander ongezien proces, neutrinoloze dubbele elektronenvangst, waarbij geen neutrino’s vrijkomen. Dat proces, volgens het artikel, “zou implicaties hebben voor de aard van het neutrino en toegang geven tot de absolute neutrino massa.”

“Het wordt lastig, want terwijl we de wetenschap hebben die we proberen te doen, moeten we ook nadenken over wat we nog meer kunnen doen met het experiment,” zei hij. “We hebben veel studenten die op zoek zijn naar afstudeerprojecten, dus we maken een lijst van 10 of 20 andere metingen — maar ze zijn een schot in het duister, en we komen bijna altijd met niets, zoals typisch is voor nieuwsgierigheid-gedreven wetenschap.”

“In dit geval hebben we een schot in het duister genomen waarbij twee of drie studenten veel geluk hadden,” zei hij.