Syvällä vuoren sisällä Keski-Italiassa tutkijat asettavat ansaan pimeälle aineelle. Syötti? Iso metallisäiliö, joka on täynnä 3,5 tonnia (3200 kiloa) puhdasta nestemäistä ksenonia. Tämä jalokaasu on yksi puhtaimmista, säteilynkestävimmistä aineista maapallolla, joten se on ihanteellinen kohde sieppaamaan joitain harvemmista hiukkasten vuorovaikutuksista maailmankaikkeudessa.
Se kaikki kuulostaa epämääräisesti synkkältä; sanoi saksalaisen Münsterin yliopiston tohtorikoulutettava Christian Wittweg, joka on työskennellyt ns. Xenon-yhteistyön puitteissa puoli vuosikymmentä ja joka menee töihin päivittäin. Hän tuntee "maksavansa vierailun Bond-konnaan". Toistaiseksi vuoristossa asuvia tutkijoita ei ole vangittu pimeästä aineesta. Mutta he onnistuivat äskettäin havaitsemaan yhden maailman harvemmista hiukkasten vuorovaikutuksista.
Nature-lehdessä tänään (24. huhtikuuta) julkaistun uuden tutkimuksen mukaan yli 100 tutkijan ryhmä mittasi ensimmäistä kertaa ksenon-124-atomin hajoamista telluuri-124-atomiksi erittäin harvinaisen prosessin, nimeltään kahden neutriino-kaksoelektronien sieppaaminen. Tämän tyyppinen radioaktiivinen hajoaminen tapahtuu, kun atomin ydin absorboi kaksi elektronia ulommasta elektronikuorestaan samanaikaisesti, jolloin vapautuu kaksinkertainen annos aavemaisia hiukkasia, joita kutsutaan neutriinoiksi.
Mittaamalla tätä ainutlaatuista hajoamista laboratoriossa ensimmäistä kertaa, tutkijat pystyivät todistamaan tarkasti, kuinka harvinainen reaktio on ja kuinka kauan ksenon-124 vajoaa. Ksenon-124: n puoliintumisaika - ts. Keskimääräinen aika, joka vaaditaan ksenon-124-atomiryhmän pieneneväksi puoleen - on noin 18 sukupolvea vuotta (1,8 x 10 ^ 22 vuotta), noin 1 triljoona kertaa nykyinen ikä maailmankaikkeuden.
Tämä on kaikkien aikojen pisin puoliintumisaika, joka on mitattu suoraan laboratoriossa, Wittweg lisäsi. Ainoastaan yhdellä ydinvoiman hajoamisprosessilla on pidempi puoliintumisaika: telluuri-128: n hajoamisella, jonka puoliintumisaika on yli 100 kertaa pidempi kuin ksenon-124: n. Mutta tämä häviävän harvinainen tapahtuma on laskettu vain paperilla.
Arvokas rappeutuminen
Kuten yleisimmissä radioaktiivisen hajoamisen muodoissa, kahden neutriino-kaksoelektronin sieppaaminen tapahtuu, kun atomi menettää energiaa, kun atomin ytimen protonien ja neutronien suhde muuttuu. Prosessi on kuitenkin paljon valinnallisempi kuin yleisemmät rappeutumismoodit ja riippuu joukosta "jättiläisiä sattumia", Wittweg sanoi. Koska kirjaimellisten tonsien ksenoniatomien kanssa työskenteltiin, näiden sattumien todennäköisyys kertoi paljon todennäköisemmäksi.
Näin se toimii: Kaikkia ksenon-124-atomeja ympäröi 54 elektronia, jotka pyörivät tummissa kuorissa ytimen ympärillä. Kaksi neutriino-kaksielektroni-sieppausta tapahtuu, kun kaksi näistä elektroneista, ytimen lähellä olevissa kuorissa, siirtyy samanaikaisesti ytimeen, kaatuu yhdeksi protoniksi ja muuntaa nämä protonit neutroneiksi. Tämän muunnoksen sivutuotteena, ydin sylkee kaksi neutriinoa, vaikeasti saavutettavissa olevia subatomisia hiukkasia ilman varausta ja käytännössä ilman massaa, jotka melkein koskaan eivät ole vuorovaikutuksessa minkään kanssa.
Neutriinot lentävät avaruuteen, ja tutkijat eivät voi mitata niitä, elleivät he käytä erityisen herkkiä laitteita. Todistaakseen, että kahden neutriino-kaksoelektronin sieppaustapahtuma on tapahtunut, ksenonitutkijat katsoivat sen sijaan hajoavan atomin jättämiä tyhjiä tiloja.
"Sen jälkeen kun ydin on tarttanut elektroneja, atomikuoreen on jäljellä kaksi avointa työpaikkaa", Wittweg sanoi. "Ne avoimet työpaikat täytetään korkeammista kuorista, mikä luo elektronien ja röntgensäteiden kaskadin."
Nuo röntgenkuvat tallettavat energiaa ilmaisimeen, jonka tutkijat näkevät selvästi kokeellisissa tiedoissaan. Vuoden mittaisen havainnon jälkeen ryhmä havaitsi lähes 100 ksenon-124-atomin tapausta hajoavan tällä tavalla, mikä oli ensimmäinen suora todiste prosessista.
Tämä maailman harvinaisimman rappeutumisprosessin havaitseminen ei vie Xenon-ryhmää lähemmäksi tumman aineen löytämistä, mutta se todistaa detektorin monipuolisuuden. Seuraava vaihe ryhmän kokeissa sisältää vielä suuremman ksenonitankin rakentamisen - tämä pystyy pitämään yli 8,8 tonnia (8000 kg) nestettä -, jotta tarjotaan entistä enemmän mahdollisuuksia havaita harvinaisia vuorovaikutuksia, Wittweg sanoi.
