Як можна спостерігати процес, який займає в трильйон разів більше часу, ніж вік Всесвіту? Дослідницька група XENON Collaboration зробила це за допомогою інструменту, створеного для пошуку найбільш невловимої матерії у всесвіті - темної матерії.
У статті, яка була опублікована в журналі Nature, дослідники повідомляють, що вони спостерігали радіоактивний розпад ксенона-124, період напіврозпаду якого становить 1,8 ст.1 1022 року.
"Ми дійсно бачили, як цей розпад стався. Це найдовший і найповільніший процес, який коли-небудь спостерігався безпосередньо, і наш детектор темної матерії був досить чутливим, щоб його виміряти ", - сказав Етан Браун, доцент кафедри фізики в Rensselaer, і співавтор дослідження. «Дивно бачити цей процес, і наш детектор може виміряти найрідкісніше з будь-коли зареєстрованих подій».
XENON Collaboration використовує XENON1T, ємність надчистого рідкого ксенона вагою 1300 кг, захищену від космічних променів у кріостаті, зануреному у воду і поміщеним на глибину 1500 метрів під італійськими горами Гран-Сассо.
Дослідники шукають темну матерію, реєструючи крихітні спалахи світла, що виникають при взаємодії частинок з ксеноном всередині детектора. І хоча XENON1T був побудований для захоплення взаємодії між частинкою темної матерії і ядром атома ксенона, детектор фактично вловлює сигнали від будь-яких взаємодій з ксеноном.
Докази розпаду ксенона були отримані у вигляді протона всередині ядра атома ксенона, перетвореного на нейтрон. У більшості елементів, схильних до розпаду, це відбувається, коли один електрон втягується в ядро. Але протон в атомі ксенона повинен поглинати два електрони, щоб перетворитися на нейтрон, подію, звану «захоплення двох електронів».
За словами Етана Брауна, подвійне електронне захоплення відбувається тільки тоді, коли два електрони знаходяться поруч з ядром у потрібний час, що є «рідкісною річчю, помноженою на іншу рідкісну річ, що робить її ультра-рідкісною».
Коли трапилася ця ультра-рідкісна подія, і всередині детектора відбулося подвійне захоплення електронів, прилади вловили сигнал електронів в атомі, які перебудовувалися, щоб заповнити два вільних місця від електронів, які були поглинені ядром..
«Електрони в подвійному захопленні видаляються з найбільш внутрішньої оболонки навколо ядра, і це створює простір в цій оболонці», - говорить Етан Браун. «Електрони, що залишилися, колапсують до основного стану, і ми побачили цей процес колапсу в нашому детекторі».
Це велике досягнення - вперше вчені виміряли період напіврозпаду цього ізотопу ксенону, ґрунтуючись на безпосередньому спостереженні за його радіоактивним розпадом.
«Це захоплююче відкриття, яке розширює межі знань про найбільш фундаментальні характеристики матерії», - говорить фізик Курт Бренеман. «Робота доктора Брауна з калібрування детектора і забезпечення очищення ксенона до максимально можливого стандарту чистоти була критичною для проведення цього важливого спостереження».
Співпраця XENON включає в себе більше 160 вчених з Європи, США і Близького Сходу, а з 2002 року експлуатує три чутливих детектора рідкого ксенона в Національній лабораторії Гран Сассо в Італії.
XENON1T, найбільший детектор такого типу, коли-небудь створений, збирав дані з 2016 року по грудень 2018 року, коли він був вимкнений. В даний час вчені модернізують експеримент для нової фази XENONnT, в якій активна маса детектора буде в три рази більше, ніж у XENON1T. Разом зі зниженим рівнем фону це на порядок збільшить чутливість детектора.