Teoria przewiduje, że rozpad radioaktywny izotopu ma okres połowicznego rozpadu, który przekracza wiek wszechświata „o wiele rzędów wielkości”, ale do tej pory nie pojawiły się żadne dowody na ten proces.

Międzynarodowy zespół fizyków, w skład którego wchodzi trzech naukowców z Uniwersytetu Rice’a — adiunkt Christopher Tunnell, wizytujący naukowiec Junji Naganoma i asystent profesora Petra Chaguine — zgłosili pierwszą bezpośrednią obserwację podwójnego wychwytu elektronów przez neutrina dla ksenonu 124, procesu fizycznego, w którym ulega on rozpadowi. Ich praca ukazała się w tym tygodniu w czasopiśmie Nature.

Podczas gdy większość izotopów ksenonu ma okresy półtrwania krótsze niż 12 dni, kilka z nich jest uważanych za wyjątkowo długo żyjące i zasadniczo stabilne. Ksenon 124 jest jednym z nich, choć naukowcy oszacowali jego okres połowicznego rozpadu na 160 bilionów lat, ponieważ rozpada się na tellur 124. Zakłada się, że wszechświat ma zaledwie 13 do 14 miliardów lat.

Nowe odkrycie stawia okres połowicznego rozpadu ksenonu 124 bliżej 18 sekstylionów lat. (Dla przypomnienia, to 18,000,000,000,000,000,000,000.)

Półokres życia nie oznacza, że każdy atom potrzebuje tyle czasu na rozpad. Liczba ta wskazuje po prostu, jak długo, średnio, potrwa, aby większość materiału radioaktywnego zredukowała się o połowę. Mimo to, szansa na zobaczenie takiego zdarzenia dla ksenonu 124 jest znikoma — chyba, że ktoś zbierze wystarczającą ilość atomów ksenonu i umieści je w „najbardziej czystym radiowo miejscu na Ziemi”, powiedział Tunnell.

„Kluczowym punktem jest to, że mamy tak wiele atomów, więc jeśli któryś się rozpadnie, zobaczymy to”, powiedział. „Mamy (dosłownie) tonę materiału.”

Tym miejscem, osadzonym głęboko w górze we Włoszech, jest komora, która zawiera tonę wysoko oczyszczonego ciekłego ksenonu osłoniętego w każdy możliwy sposób przed radioaktywnymi zakłóceniami.

Nazywany eksperymentem XENON1T, jest on najnowszym z serii komór zaprojektowanych w celu znalezienia pierwszych bezpośrednich dowodów na istnienie ciemnej materii, tajemniczej substancji, którą uważa się za większość materii we wszechświecie.

Ma on również zdolność do obserwowania innych unikalnych zjawisk naturalnych. Jedna z takich sond w ostatnim rocznym okresie miała za zadanie monitorować przewidywany rozpad ksenonu 124. Sortowanie przez stertę danych produkowanych przez komorę ujawniło „dziesiątki” takich rozpadów, powiedział Tunnell, który dołączył do Rice w tym roku jako część uniwersyteckiej inicjatywy Data Science Initiative.

„Możemy zobaczyć pojedyncze neutrony, pojedyncze fotony, pojedyncze elektrony,” powiedział. „Wszystko, co wchodzi do tego detektora, w jakiś sposób zdeponuje energię i jest to mierzalne”. XENON1T może wykryć fotony, które ożywają w ciekłym ośrodku, jak również elektrony przyciągane do górnej warstwy naładowanego gazu ksenonowego. Oba są produkowane, gdy ksenon 124 rozpada się.

„Istnieją różne sposoby, w jaki radioaktywny izotop może się rozpadać,” powiedział. „Jednym z nich jest rozpad beta. Oznacza to, że elektron wychodzi na zewnątrz. Można mieć rozpad alfa, gdzie wypluwa część jądra, aby uwolnić energię. I jest wychwyt elektronu, kiedy elektron wchodzi do jądra i zamienia proton w neutron. To zmienia skład jądra i powoduje jego rozpad.

„Normalnie, masz jeden elektron wchodzi i jedno neutrino wychodzi,” Tunnell powiedział. „To neutrino ma stałą energię, dzięki czemu jądro pozbywa się swojej masy. Jest to proces, który często obserwujemy w fizyce cząstek jądrowych i jest on dość dobrze rozumiany. Ale nigdy nie widzieliśmy dwa elektrony przychodzą do jądra w tym samym czasie i wydają dwa neutrina.”

Fotony są uwalniane jak elektrony kaskadowo wypełnić niższe puste miejsca wokół jądra. Pokazują się one jako wybrzuszenie na wykresie, który może być interpretowany tylko jako wielokrotne podwójne neutrinowe wychwytywanie elektronów. „Nie można tego wytłumaczyć żadnym innym znanym nam źródłem tła,” powiedział Tunnell, który był koordynatorem analizy przez dwa lata.

XENON1T pozostaje największym na świecie, najbardziej czułym detektorem słabo oddziałujących masywnych cząstek, aka WIMPs, hipotetycznych cząstek, które uważa się za ciemną materię. Tunnell pracował przy XENON1T razem z kolegą z Rice, Naganomą, który pełnił funkcję kierownika operacyjnego.

Badacze tworzący XENON Collaboration, z których wszyscy są współautorami pracy, nie wykryli jeszcze ciemnej materii, ale większy instrument, XENONnT, jest budowany w celu dalszych poszukiwań. Chaguine jest kierownikiem uruchomienia nowego instrumentu, odpowiedzialnym za jego budowę.

Przykład współpracy może doprowadzić naukowców do znalezienia innych egzotycznych procesów niezwiązanych z ciemną materią, powiedział Tunnell, włączając w to trwające polowanie na inny niewidoczny proces, bezneutrinowe podwójne wychwytywanie elektronów, w którym nie są uwalniane neutrina. Ten proces, zgodnie z dokumentem, „miałby implikacje dla natury neutrina i dałby dostęp do absolutnej masy neutrina.”

„To staje się skomplikowane, ponieważ podczas gdy mamy naukę, którą próbujemy zrobić, musimy również myśleć o tym, co jeszcze możemy zrobić z eksperymentem,” powiedział. „Mamy wielu studentów szukających projektów prac dyplomowych, więc robimy listę 10 lub 20 innych pomiarów — ale są one strzałem w ciemno, i prawie zawsze dochodzimy do niczego, co jest typowe dla nauki opartej na ciekawości.

„W tym przypadku, wzięliśmy strzał w ciemno, gdzie dwóch lub trzech studentów miało dużo szczęścia,” powiedział.

.