Djupt inne i ett berg i centrala Italien lägger forskare en fälla för mörk materia. Betet? En stor metallbehållare full med 3,5 ton (3.200 kg) ren flytande xenon. Denna ädelgas är en av de renaste, mest strålningssäkra ämnena på jorden, vilket gör den till ett idealiskt mål för att fånga några av de sällsynta partikelinteraktionerna i universum.
Det låter allt vagt olyckligt; sade Christian Wittweg, en doktorand vid universitetet i Münster i Tyskland, som har arbetat med det så kallade Xenon-samarbetet i ett halvt decennium, att gå till jobbet varje dag känns som att "besöka en Bond-skurk ett besök." Hittills har forskarna i bergsbyggnaden inte fångat någon mörk materia. Men de lyckades nyligen upptäcka en av de sällsynta partikelinteraktionerna i universum.
Enligt en ny studie som publicerades idag (24 april) i tidskriften Nature, mätte teamet med mer än 100 forskare för första gången någonsin förfallet av en xenon-124-atom till en tellurium-atom genom en extremt sällsynt process som kallas två-neutrino dubbel elektroninsamling. Denna typ av radioaktivt förfall inträffar när en atoms kärna absorberar två elektroner från dess yttre elektronskal samtidigt och därigenom släpper en dubbel dos av de spöklika partiklarna som kallas neutrino.
Genom att mäta detta unika förfall i ett labb för första gången kunde forskarna bevisa exakt hur sällsynt reaktionen är och hur lång tid det tar xenon-124 att förfalla. Halveringstiden för xenon-124 - det vill säga den genomsnittliga tiden som krävs för en grupp xenon-124-atomer att minska med hälften - är cirka 18 sekstillion år (1,8 x 10 ^ 22 år), ungefär 1 biljon gånger den nuvarande åldern av universum.
Detta markerar den längsta halveringstiden någonsin som direkt mäts i ett laboratorium, tillade Wittweg. Endast en process med kärnkraftsförfall i universum har en längre halveringstid: sönderfallet av tellurium-128, som har en halveringstid mer än 100 gånger längre än den för xenon-124. Men denna försvinnande sällsynta händelse har bara beräknats på papper.
Ett dyrbart förfall
Liksom med de vanligaste formerna av radioaktivt förfall inträffar två-neutrino-dubbelelektronfangst när en atom tappar energi när förhållandet mellan protoner och neutroner i atomkärnan förändras. Emellertid är processen mycket pickierare än mer vanliga sönderfallslägen och beror på en serie "gigantiska sammanfall", sade Wittweg. Att ha bokstavliga massor av xenonatomer att arbeta med gjorde oddsen för att dessa slumpmöjligheter var mycket mer troliga.
Så här fungerar det: Alla xenon-124 atomer är omgivna av 54 elektroner, som snurrar i disiga skal runt kärnan. Två-neutrino-dubbelelektronupptagning inträffar när två av dessa elektroner, i skal nära kärnan, samtidigt migrerar in i kärnan, kraschar i ett protonstycke och omvandlar dessa protoner till neutroner. Som en biprodukt av denna omvandling spottar kärnan ut två neutrino, svårfångade subatomära partiklar utan laddning och praktiskt taget ingen massa som nästan aldrig interagerar med något.
Dessa neutrinoer flyger ut i rymden, och forskare kan inte mäta dem om de inte använder extremt känslig utrustning. För att bevisa att en två-neutrino dubbelelektroniseringshändelse har inträffat såg Xenon-forskarna istället till de tomma utrymmen som lämnats kvar i den förfallna atomen.
"Efter att elektronerna har fångats upp av kärnan finns det två lediga platser kvar i atomskalet", sa Wittweg. "Dessa lediga platser fylls i högre skal, vilket skapar en kaskad av elektroner och röntgenstrålar."
Dessa röntgenstrålar deponerar energi i detektorn, vilket forskarna tydligt kan se i sina experimentella data. Efter ett års observationer upptäckte teamet nära 100 fall av xenon-124 atomer som förföll på detta sätt, vilket gav det första direkta beviset för processen.
Denna nya upptäckt av den näst sällsynta förfallprocessen i universum gör inte Xenon-teamet närmare att hitta mörk materia, men det bevisar detektorns mångsidighet. Nästa steg i teamets experiment innebär att bygga en ännu större xenontank - denna som kan hålla mer än 8,8 ton (8000 kg) vätska - för att ge ännu fler möjligheter att upptäcka sällsynta interaktioner, sade Wittweg.
