1960-luvulta lähtien tutkijat ovat väittäneet, että maailmankaikkeus on täynnä salaperäistä, näkymätöntä massaa. Tämän pimeän aineen tunnetuksi arvioidaan muodostavan noin 85% maailmankaikkeuden aineesta ja neljänneksen sen energiatiheydestä. Vaikka tätä massaa on epäsuorasti havaittu ja tutkittu, kaikki yritykset sen todellisen luonteen määrittämiseksi ovat toistaiseksi epäonnistuneet.
Tämän ratkaisemiseksi tehdään useita kokeita, jotka tukeutuvat erittäin hienostuneisiin instrumentteihin. Yksi näistä, nimeltään XENON, havaitsi äskettäin prosessin, jolla aikaisemmin oli vältetty useita havaitsemisyrityksiä. Nämä tulokset voivat auttaa tutkijoita parantamaan ymmärrystään neutriinoista, joista joidenkin tutkijoiden mielestä tumma aine koostuu.
Tulokset (XENON1T) ilmestyivät osana tutkimusta, joka julkaistiin äskettäin lehdessä luonto. XENON on noin 160 tutkijan yhteis kokeellinen projekti Euroopasta, Yhdysvalloista ja Lähi-idästä. Sitä johtaa tällä hetkellä professori Elena Aprile Columbian yliopistosta, ja sitä hallinnoi Gran Sasso National Laboratory (LNGS) Italiassa.
Kuten muutkin pimeäainekokeet, sen tavoitteena on havaita ehdokaspimeäainepartikkelit, jotka tunnetaan heikosti vuorovaikutuksessa olevina massiivisina hiukkasina (WIMPS). Tätä tarkoitusta varten laitos sijaitsee syvällä maan alla, jotta vältetään häiriöt muilta neutriinolähteiltä (mukaan lukien aurinkomme säännöllisesti luomat aurinkoneutriinot ja kosmiset neutriinot).
XENON-kokeen tapauksessa tämä tarkoittaa nesteen Xenon-124-täytetyn kammion tarkkailua hiukkasten vuorovaikutuksen merkkejä varten. Nämä merkit tarjoaisivat kaikkien aikojen ensimmäisen suoran kokeellisen näytön tumman aineen ehdokaspartikkeleista. Ja vaikka heidän ensimmäiset tulossarjansa eivät vahvistaneet tumman aineen olemassaoloa, se havaitsi Xenon-124-ydinytimien hajoamisen ensimmäistä kertaa.
Useista syistä tämä oli valtava saavutus. Sen sijaan, että se olisi historiallinen ensimmäinen, Xenon-124: lle mitattu puoliintumisaika on noin biljoonaa kertaa pidempi kuin maailmankaikkeuden ikä (13,8 miljardia vuotta). Tämä tekee heidän havaitsemastaan radioaktiivisesta hajoamisesta - Xenon-124: n ns. Kaksoelektronien sieppauksesta - harvinaisimman havaitsemisprosessin.
Kuten Münsterin yliopiston professori Christian Weinheimer, jonka ryhmä johti tutkimusta, selitti XENON-lehdistötiedotteessa:
"Se, että onnistuimme tarkkailemaan tätä prosessia, osoittaa suoraan, kuinka tehokas havaintomenetelmämme todella on - myös signaaleille, jotka eivät ole pimeästä aineesta."
Tämän prosessin hajottamiseksi, ksenon-124-atomi koostuu 54 protonista ja 70 neutronista, joita ympäröivät atomikuoret, joissa on 54 elektronia. Kaksinkertaisena elektronien sieppauksena tunnetussa prosessissa kaksi ytimen protonia "tarttuvat" samanaikaisesti kahteen elektroniin sisimmästä kuoresta, muuttavat ne kahdeksi neutroniksi ja sylkevät kaksi neutrinoa.
Sitten muut elektronit järjestäytyvät uudelleen täyttääkseen sisimmässä kuoressa luodun raon samalla kun energiaa vapautuu röntgensäteiden muodossa ja joita kutsutaan ”Auger-elektroneiksi”. Näitä signaaleja on kuitenkin erittäin vaikea havaita, koska prosessi on hyvin harvinainen ja sen piilottaa luonnollinen radioaktiivisuus. Siitä huolimatta XENON-yhteistyö onnistui vain vuoden mittaisten havaintojen ansiosta heidän instrumentteillaan.
Kaksoiselektronien sieppauksen seurauksena emittoidut röntgensäteet tuottivat nestemäisessä ksenonissa valosignaalin sekä vapaita elektroneja. Nämä elektronit siirtyivät sitten kohti ilmaisimen kaasutäytteistä yläosaa, jossa ne tuottivat toisen valosignaalin, ja aikaero näiden kahden välillä tapahtui vastaamaan aikaa, joka kuluu elektronien saavuttamiseen ilmaisimen yläosaan.
Tiederyhmä käytti tätä intervallia ja kammion antureita rekonstruoidakseen kaksoiselektronien sieppauksen sijainnin, kun taas signaalin voimakkuutta käytettiin mittaamaan, kuinka paljon energiaa vapautui. Tämä antoi tutkijoille keinot määritellä ksenonin uskomattoman pitkä puoliintumisaika, jonka he laskivat 1,8x10²² vuodeksi.
Nämä tulokset osoittavat tehokkaasti XENON-ilmaisimien kyvyn havaita harvinaisia prosesseja hylkäämällä taustasignaaleja. Uudet tulokset voisivat mahdollistaa myös lisätutkimukset neutriinoista, jotka ovat kevyimpiä kaikista alkuainehiukkasista ja joita ei vieläkään ymmärretä täysin. Niihin sisältyy neutriinon massa, jota ei vielä ole hyvin rajoitettu.
Kristittynä
”Se todistaa, että tämä XENON-detektoritekniikka, jota käytämme pimeään aineeseen, on paljon monipuolisempi. Saamme kaikki nämä hienot analyysit… ilmaiseksi, kun olemme rakentaneet kokeilun, joka on tarpeeksi herkkä metsästämään pimeää ainetta. ”
XENON1T-havaintojuoksulla kerättiin tietoja vuodesta 2016 joulukuuhun 2018, jolloin se suljettiin päivitysten tekemistä varten. Kun ne on valmis, tiederyhmä aloittaa seuraavan havaintovaiheen. Tunnetaan nimellä “XENONnT”, tässä vaiheessa on aktiivisen ilmaisimen massa, joka on kolme kertaa suurempi kuin ensimmäinen koe.
Yhdessä päivitysten kanssa, jotka on suunniteltu vähentämään taustahäiriöitä, ilmaisimen herkkyystaso on useita kertaluokkaa suurempi. Tässä vaiheessa voidaan odottaa, että kokeilu paistaa entistä kirkkaamman valon maailmankaikkeuden tummille alueille.
