Детектор темной материи зафиксировал самое редкое событие во Вселенной
Исследовательская группа XENON Collaboration сделала это с помощью инструмента, созданного для поиска темной материи
Как можно наблюдать процесс, который занимает в триллион раз больше времени, чем возраст Вселенной? Исследовательская группа XENON Collaboration сделала это с помощью инструмента, созданного для поиска самой неуловимой материи во вселенной — темной материи.
В статье, которая была опубликована в журнале Nature, исследователи сообщают, что они наблюдали радиоактивный распад ксенона-124, период полураспада которого составляет 1,8 × 1022 года.
«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, и соавтор исследования. «Удивительно видеть этот процесс, и наш детектор может измерить самое редкое из когда-либо зарегистрированных событий».
XENON Collaboration использует XENON1T, емкость сверхчистого жидкого ксенона весом 1300 кг, защищенную от космических лучей в криостате, погруженном в воду и помещенным на глубину 1500 метров под итальянскими горами Гран-Сассо.
Исследователи ищут темную материю, регистрируя крошечные вспышки света, возникающие при взаимодействии частиц с ксеноном внутри детектора. И хотя XENON1T был построен для захвата взаимодействия между частицей темной материи и ядром атома ксенона, детектор фактически улавливает сигналы от любых взаимодействий с ксеноном.
Доказательства распада ксенона были получены в виде протона внутри ядра атома ксенона, превращенного в нейтрон. В большинстве элементов, подверженных распаду, это происходит, когда один электрон втягивается в ядро. Но протон в атоме ксенона должен поглощать два электрона, чтобы превратиться в нейтрон, событие, называемое «захват двух электронов».
По словам Этана Брауна, двойной электронный захват происходит только тогда, когда два электрона находятся рядом с ядром в нужное время, что является «редкой вещью, помноженной на другую редкую вещь, что делает ее ультра-редкой».
Когда случилось эта ультра-редкое событие, и внутри детектора произошел двойной захват электронов, приборы уловили сигнал электронов в атоме, которые перестраивались, чтобы заполнить два свободных места от электронов, которые были поглощены ядром..
«Электроны в двойном захвате удаляются из самой внутренней оболочки вокруг ядра, и это создает пространство в этой оболочке», — говорит Этан Браун. «Оставшиеся электроны коллапсируют до основного состояния, и мы увидели этот процесс коллапса в нашем детекторе».
Это большое достижение — впервые ученые измерили период полураспада этого изотопа ксенона, основываясь на непосредственном наблюдении за его радиоактивным распадом.
«Это увлекательное открытие, которое расширяет границы знаний о наиболее фундаментальных характеристиках материи», — говорит физик Курт Бренеман. «Работа доктора Брауна по калибровке детектора и обеспечению очистки ксенона до максимально возможного стандарта чистоты была критической для проведения этого важного наблюдения».
Сотрудничество XENON включает в себя более 160 ученых из Европы, США и Ближнего Востока, а с 2002 года эксплуатирует три чувствительных детектора жидкого ксенона в Национальной лаборатории Гран Сассо в Италии.
XENON1T, самый большой детектор такого типа, когда-либо созданный, собирал данные с 2016 года по декабрь 2018 года, когда он был выключен. В настоящее время ученые модернизируют эксперимент для новой фазы XENONnT, в которой активная масса детектора будет в три раза больше, чем у XENON1T. Вместе с пониженным уровнем фона это на порядок увеличит чувствительность детектора.
Observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1124-4 , https://www.nature.com/articles/s41586-019-1124-4