31K
В рамках проекта по поиску темной материи исследовательская группа XENON Collaboration на детекторе XENON1T впервые зафиксировала радиоактивный распад изотопа ксенона-124, который имеет период полураспада, превосходящий возраст Вселенной более чем в триллион раз. Результаты наблюдений и выводы ученых представлены в журнале Nature.
«Теория предсказывает, что радиоактивный распад этого изотопа имеет период полураспада, который превосходит возраст Вселенной на много порядков, но ранее никаких доказательств этого процесса у нас не было. Однако теперь нам действительно удалось увидеть распад ксенона-124. Это самый длинный и медленный процесс, который когда-либо непосредственно наблюдался, и наш детектор темной материи оказался достаточно чувствительным, чтобы заметить его», – пишут исследователи.
Большинство изотопов ксенона имеют период полураспада менее 12 дней, однако некоторые считаются исключительно долгоживущими и по существу стабильными. Ксенон-124 один из них.
Предполагается, что возраст Вселенной составляет всего 13–14 миллиардов лет, а теоретически предсказанный период полураспада ксенона-124 равняется 160 триллионам лет, в ходе которого он распадается до теллура-124. Однако проведенные наблюдения значительно увеличивают это значение и приближают период полураспада ксенона-124 к 18 секстиллионам лет (18 000 000 000 000 000 000 000).
«Период полураспада не означает, что каждый атом распадается так долго. Число просто указывает, сколько времени в среднем потребуется для того, чтобы основная масса радиоактивного материала сократилась вдвое. Тем не менее, вероятность увидеть такое событие для ксенона-124 крайне мала, если только не собрать достаточное количество его атомов в самом защищенном от вешних воздействий месте на Земле», – добавляют исследователи.
Три тонны чистого ксенона под землей
Таким местом является расположенная глубоко под поверхностью в горах в Италии камера, в которой находится более трех тонн сверхчистого жидкого ксенона. Она является частью проекта по поиску неуловимых слабовзаимодействующих массивных частиц темной материи, известных как WIMP, и имеет обозначение XENON1T.
«Мы можем видеть одиночные нейтроны, одиночные фотоны, одиночные электроны. Все, что попадает в этот детектор, будет каким-то образом выделять энергию, и это измеримо», – отмечают исследователи.
Доказательство распада ксенона-124 было получено в виде превращения протона внутри ядра атома ксенона в нейтрон. В большинстве элементов, подверженных бета-распаду, это происходит, когда один электрон затягивается в ядро. Но ксенону-124 такой распад запрещен законом сохранения энергии. Однако для него существует возможность совершить двойной распад: ядро может одновременно захватить два электрона, превратить сразу два протона в нейтроны и испустить два электронных нейтрино. Это событие, известное как «двойной электронный захват», происходит только тогда, когда два электрона находятся рядом с ядром и в нужное время: редкое стечение обстоятельств, умноженное на другое редкое стечение обстоятельств, делает это событие ультра-редким.
«Это захватывающее открытие расширяет границы наших знаний о самых фундаментальных характеристиках материи. Несмотря на то, что нам пока не удалось обнаружить темную материю, ее поиск может привести к раскрытию других экзотических процессов, не связанных с ней, включая обнаружение еще одного «невидимого процесса» – безнейтринного двойного электронного захвата, при котором не выделяются нейтрино. Его наблюдение будет иметь последствия для природы нейтрино и даст доступ к его абсолютной массе», – заключают исследователи.