Teorin förutsäger att isotopens radioaktiva sönderfall har en halveringstid som överstiger universums ålder ”med många storleksordningar”, men inget bevis för processen har dykt upp förrän nu.
En internationell grupp fysiker som inkluderar tre forskare från Rice University – biträdande professor Christopher Tunnell, gästforskare Junji Naganoma och biträdande forskningsprofessor Petr Chaguine – har rapporterat om den första direkta observationen av dubbelelektroninfångning med två neutrinos för xenon 124, den fysikaliska process genom vilken den sönderfaller. Deras artikel publiceras denna vecka i tidskriften Nature.
De flesta xenonisotoper har en halveringstid på mindre än 12 dagar, men några få anses vara exceptionellt långlivade och i huvudsak stabila. Xenon 124 är en av dem, även om forskarna har uppskattat dess halveringstid till 160 biljoner år när den sönderfaller till tellur 124. Universum antas bara vara 13-14 miljarder år gammalt.
Det nya fyndet gör att halveringstiden för xenon 124 ligger närmare 18 sextiljoner år. (För säkerhets skull är det 18 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.)
Halvlivslängd betyder inte att det tar så lång tid för varje atom att sönderfalla. Siffran anger helt enkelt hur lång tid det i genomsnitt tar för huvuddelen av ett radioaktivt material att reducera sig självt med hälften. Ändå är chansen att se en sådan incident för xenon 124 försvinnande liten – såvida man inte samlar ihop tillräckligt många xenonatomer och placerar dem på den ”mest radioaktiva platsen på jorden”, sade Tunnell.
”En viktig punkt här är att vi har så många atomer, så om någon av dem sönderfaller, kommer vi att se det”, sade han. ”Vi har ett (bokstavligt) ton material.”
Denna plats, som ligger djupt inne i ett berg i Italien, är en kammare som innehåller ett ton höggradigt renad flytande xenon som på alla möjliga sätt är skyddad från radioaktiva störningar.
Det kallas XENON1T-experimentet och är det senaste i en serie kammare som är utformade för att hitta de första direkta bevisen på mörk materia, den mystiska substans som tros stå för det mesta av materian i universum.
Den har också förmågan att observera andra unika naturfenomen. En sådan sond i den senaste årslånga körningen var att övervaka det förutspådda sönderfallet av xenon 124. Sortering av den hög med data som kammaren producerade avslöjade ”tiotals” av dessa sönderfall, sade Tunnell, som kom till Rice i år som en del av universitetets Data Science Initiative.
”Vi kan se enstaka neutroner, enstaka fotoner, enstaka elektroner”, sade han. ”Allt som kommer in i den här detektorn kommer att deponera energi på något sätt, och det är mätbart.” XENON1T kan detektera fotoner som sprungit till liv i det flytande mediet samt elektroner som dras till ett toppskikt av laddad xenongas. Båda produceras när xenon 124 sönderfaller.
”Det finns olika sätt på vilka en radioaktiv isotop kan sönderfalla”, säger han. ”Ett är betasönderfall. Det innebär att en elektron kommer ut. Man kan ha alfaförfall, där den spottar ut en del av kärnan för att frigöra energi. Och det finns elektroninfångning, när en elektron går in i kärnan och förvandlar en proton till en neutron. Detta förändrar kärnans sammansättning och resulterar i dess sönderfall.
”Normalt sett har man en elektron som kommer in och en neutrino som kommer ut”, sade Tunnell. ”Den neutrinon har en fast energi, och det är på så sätt som kärnan avlägsnar sin massa. Detta är en process som vi ofta ser inom kärnpartikelfysiken, och den är ganska väl förstådd. Men vi hade aldrig sett två elektroner komma in i kärnan samtidigt och avge två neutriner.”
Fotonerna frigörs när elektroner kaskaderar för att fylla lägre vakanser runt kärnan. De visar sig som en bula på en graf som bara kan tolkas som flera dubbelelektronfångster med två neutrinos. ”Det kan inte förklaras med några andra bakgrundskällor som vi känner till”, säger Tunnell, som var analyssamordnare i två år.
XENON1T förblir världens största och känsligaste detektor för svagt interagerande massiva partiklar, även kallade WIMPs, de hypotetiska partiklar som tros utgöra mörk materia. Tunnell arbetade vid XENON1T tillsammans med Rice-kollegan Naganoma, som var driftsledare.
Forskarna som ingår i XENON Collaboration, som alla är medförfattare till artikeln, har ännu inte upptäckt mörk materia, men ett större instrument, XENONnT, håller på att byggas för att främja sökandet. Chaguine är det nya instrumentets commissioning manager, ansvarig för dess konstruktion.
Samarbetets exempel kan leda till att forskarna hittar andra exotiska processer som inte är relaterade till mörk materia, sade Tunnell, inklusive den pågående jakten på en annan osynlig process, neutrinolös dubbelelektroninfångning, där inga neutrinos frigörs. Den processen, enligt artikeln, ”skulle ha konsekvenser för neutrinoens natur och ge tillgång till den absoluta neutrinomassan.”
”Det blir knepigt, för samtidigt som vi har den vetenskap vi försöker göra, måste vi också tänka på vad vi annars kan göra med experimentet”, sade han. ”Vi har många studenter som letar efter examensarbeten, så vi gör en lista med 10 eller 20 andra mätningar – men de är ett skott i mörkret, och vi kommer nästan alltid fram till ingenting, vilket är typiskt för nyfikenhetsdriven vetenskap.
”I det här fallet tog vi ett skott i mörkret där två eller tre studenter hade mycket tur”, sade han.