Физики умудрились зарегистрировать радиоактивный распад атома ксенона-124

Москва, 17:38, 25 Апр 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Ученые наблюдали за тем, что называют «редчайшим событием, когда-либо зарегистрированным» в продолжающейся охоте на самую неуловимую из частиц, темную материю.

Они выполнили это невероятное наблюдение, используя детектор темной материи, известный как XENON1T, управляемый проектом XENON Collaboration, базирующимся в Италии. Он записал радиоактивный распад атома ксенона-124, процесс, который занимает ошеломляюще много времени.

Ксенон — благородный газ. Этот конкретный тип ксенона имеет период полураспада 18 миллиардов триллионов лет. Это более чем в 1 триллион раз больше, чем нынешний век Вселенной.

«Мы действительно видели, как этот распад произошел. Это самый длинный и самый медленный процесс, который когда-либо наблюдался непосредственно, и наш детектор темной материи был достаточно чувствительным, чтобы его измерить», — сказал Этан Браун, доцент кафедры физики в Rensselaer. «Удивительно наблюдать за этим процессом, и он говорит, что наш детектор может измерить самую редкую из когда-либо записанных вещей».

Вам может быть интересно, как ученые смогли наблюдать это такое невероятно редкое событие. Причина в том, что период полураспада является вероятностной мерой. Это время, которое требуется ровно половине «сущностей» в образце, чтобы распасться. Таким образом, время, необходимое для распада половины атомов в радиоактивном веществе, таком как ксенон, составляет 18 миллиардов триллионов лет. Это не значит, что такое событие происходит только один раз за это время.

Детектор содержал 3500 килограммов ксенона, поэтому в нем было примерно 17 миллиардов миллиардов атомов (1,701 × 1028). Из них только один разложился, и эксперимент позволил обнаружить его, несмотря на то, что он не был предназначен для этой конкретной задачи.

Распад атома ксенона происходит через процесс, называемый двухнейтринным двойным электронным захватом. Ранее это было замечено только в двух других элементах, криптоне и барии. Здесь ядро ​​ксенона захватывает два электрона из окружающей его электронной оболочки. Эти электроны взаимодействуют с двумя протонами, превращая их в нейтроны и освобождая два нейтрино.

«Электроны в двойном захвате удаляются из внутренней оболочки вокруг ядра, и это создает пространство в этой оболочке», — объяснил Браун. «Оставшиеся электроны коллапсируют до основного состояния, и мы увидели этот процесс коллапса в нашем детекторе».

Это первое прямое обнаружение позволило исследователям уточнить период полураспада этого конкретного атома ксенона.

Сотрудничество XENON включает более 160 ученых из Европы, США и Ближнего Востока. Детектор темной материи расположен в Национальной лаборатории Гран Сассо, расположенной глубоко под самой высокой вершиной итальянских Апеннинских гор. И местоположение, и используемое вещество являются ключом к возможному обнаружению темной материи, теоретической субстанции, которая должна проникать в космос, но не взаимодействовать со светом.

Исследователи надеются, что одним из способов увидеть это может быть случайное столкновение с атомом ксенона, создающее вспышку света, которую детектор может обнаружить. Ксенон используется потому, что он чрезвычайно стабилен (как показывает это исследование), и находясь под землей, детектор защищен от космических лучей. Вся система в настоящее время модернизируется, чтобы стать XENONnT, и вскоре в ней будет еще 8 тонн ксенона, что позволит проводить дальнейшие эксперименты в более широком масштабе.