Teoria prezice că dezintegrarea radioactivă a izotopului are un timp de înjumătățire care depășește vârsta universului „cu multe ordine de mărime”, dar până acum nu a apărut nicio dovadă a acestui proces.

O echipă internațională de fizicieni care include trei cercetători de la Rice University – profesorul asistent Christopher Tunnell, cercetătorul invitat Junji Naganoma și profesorul asistent de cercetare Petr Chaguine – au raportat prima observație directă a dublei capturi de electroni cu doi neutrini pentru xenon 124, procesul fizic prin care acesta se dezintegrează. Lucrarea lor apare în această săptămână în revista Nature.

În timp ce majoritatea izotopilor de xenon au o perioadă de înjumătățire mai mică de 12 zile, se crede că câțiva dintre ei au o durată de viață excepțional de lungă și sunt esențialmente stabili. Xenonul 124 este unul dintre aceștia, deși cercetătorii au estimat timpul său de înjumătățire la 160 de trilioane de ani, deoarece se dezintegrează în telur 124. Se presupune că universul are doar 13-14 miliarde de ani.

Noua descoperire plasează timpul de înjumătățire al Xenonului 124 mai aproape de 18 sextilioane de ani. (Pentru înregistrare, asta înseamnă 18.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.)

Viața de înjumătățire nu înseamnă că este nevoie de atâta timp pentru ca fiecare atom să se dezintegreze. Numărul indică pur și simplu cât timp va dura, în medie, pentru ca cea mai mare parte a unui material radioactiv să se reducă la jumătate. Cu toate acestea, șansa de a vedea un astfel de incident pentru xenon 124 este extrem de mică – cu excepția cazului în care se adună suficienți atomi de xenon și se pun în „cel mai radio-pur loc de pe Pământ”, a spus Tunnell.

„Un punct cheie aici este că avem atât de mulți atomi, așa că, dacă vreunul se dezintegrează, îl vom vedea”, a spus el. „Avem o tonă (la propriu) de material.”

Acest loc, amplasat adânc în interiorul unui munte din Italia, este o cameră care conține o tonă de xenon lichid foarte purificat, protejat în toate modurile posibile de interferențele radioactive.

Denumit experimentul XENON1T, acesta este cel mai recent dintr-o serie de camere concepute pentru a găsi primele dovezi directe ale materiei întunecate, substanța misterioasă despre care se crede că reprezintă cea mai mare parte a materiei din univers.

Camera are capacitatea de a observa și alte fenomene naturale unice. Una dintre aceste sonde, în cadrul ultimului an de funcționare, a fost aceea de a monitoriza dezintegrarea prezisă a xenonului 124. Sortarea teancului de date produse de cameră a dezvăluit „zeci” de astfel de dezintegrări, a declarat Tunnell, care s-a alăturat anul acesta la Rice ca parte a Inițiativei de Știință a Datelor a universității.

„Putem vedea neutroni individuali, fotoni individuali, electroni individuali”, a spus el. „Tot ceea ce intră în acest detector va depune energie într-un fel sau altul, iar acest lucru este măsurabil”. XENON1T poate detecta fotonii care iau viață în mediul lichid, precum și electronii atrași de un strat superior de gaz xenon încărcat. Ambele sunt produse atunci când xenon 124 se dezintegrează.

„Există diferite moduri în care un izotop radioactiv se poate dezintegra”, a spus el. „Unul dintre ele este dezintegrarea beta. Asta înseamnă că iese un electron. Puteți avea dezintegrarea alfa, în care scuipă o parte din nucleu pentru a elibera energie. Și mai există captura de electroni, când un electron intră în nucleu și transformă un proton într-un neutron. Acest lucru schimbă compoziția nucleului și duce la dezintegrarea acestuia.

„În mod normal, intră un electron și iese un neutrino”, a spus Tunnell. „Acel neutrino are o energie fixă, care este modul în care nucleul își expulzează masa. Acesta este un proces pe care îl vedem adesea în fizica particulelor nucleare și este destul de bine înțeles. Dar nu am văzut niciodată doi electroni care să intre în nucleu în același timp și să emită doi neutrini.”

Fotonii sunt eliberați pe măsură ce electronii intră în cascadă pentru a umple spațiile libere inferioare din jurul nucleului. Ei apar ca o umflătură pe un grafic care nu poate fi interpretată decât ca fiind multiple capturi duble de electroni cu doi neutrini. „Nu poate fi explicat cu nicio altă sursă de fond pe care o cunoaștem”, a declarat Tunnell, care a fost coordonator al analizei timp de doi ani.

XENON1T rămâne cel mai mare și mai sensibil detector din lume pentru particule masive slab interactive, aka WIMP, particulele ipotetice despre care se crede că ar constitui materia întunecată. Tunnell a lucrat la XENON1T împreună cu colegul său de la Rice, Naganoma, care a ocupat funcția de manager de operațiuni.

Cercetătorii care alcătuiesc XENON Collaboration, toți coautori ai lucrării, nu au detectat încă materia întunecată, dar un instrument mai mare, XENONnT, este în curs de construcție pentru a continua căutarea. Chaguine este managerul de punere în funcțiune a noului instrument, responsabil de construcția acestuia.

Exemplul colaborării ar putea conduce cercetătorii să găsească alte procese exotice care nu au legătură cu materia întunecată, a spus Tunnell, inclusiv vânătoarea în curs de desfășurare a unui alt proces nevăzut, captura dublă de electroni fără neutrinol, în care nu sunt eliberați neutrini. Acest proces, potrivit documentului, „ar avea implicații asupra naturii neutrinilor și ar oferi acces la masa absolută a neutrinilor.”

„Devine complicat, pentru că, în timp ce avem știința pe care încercăm să o facem, trebuie să ne gândim și la ce altceva putem face cu experimentul”, a spus el. „Avem o mulțime de studenți care caută proiecte de teză, așa că facem o listă cu alte 10 sau 20 de măsurători – dar acestea sunt o lovitură în întuneric și aproape întotdeauna nu găsim nimic, așa cum este tipic pentru știința bazată pe curiozitate.

„În acest caz, am făcut o lovitură în întuneric în care doi sau trei studenți au fost foarte norocoși”, a spus el.