Βαθιά μέσα σε ένα βουνό στην κεντρική Ιταλία, οι επιστήμονες βάζουν μια παγίδα για τη σκοτεινή ύλη. Το δόλωμα? Μια μεγάλη μεταλλική δεξαμενή γεμάτη από 3,5 τόνους (3,200 χιλιόγραμμα) καθαρού υγρού ξένου. Αυτό το ευγενές αέριο είναι μία από τις καθαρότερες, πιο ανθεκτικές στην ακτινοβολία ουσίες στη Γη, καθιστώντας το ιδανικό στόχο για τη σύλληψη μερικών από τις σπανιότερες αλληλεπιδράσεις σωματιδίων στο σύμπαν.
Όλα ακούγονται αόριστα απίστευτα. δήλωσε ο Christian Wittweg, υποψήφιος διδακτορικός στο Πανεπιστήμιο του Münster στη Γερμανία, ο οποίος έχει εργαστεί για μια μισή δεκαετία με τη λεγόμενη συνεργασία Xenon και πρόκειται να δουλέψει κάθε μέρα, αισθάνεται σαν να «πληρώνει έναν επισκέπτη του Bond». Μέχρι στιγμής, οι ερευνητές που κατοικούν στο βουνό δεν έχουν καταλάβει καμία σκοτεινή ύλη. Αλλά πρόσφατα κατάφεραν να ανιχνεύσουν μία από τις σπανιότερες αλληλεπιδράσεις σωματιδίων στο σύμπαν.
Σύμφωνα με μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε σήμερα (24 Απριλίου) στο περιοδικό Nature, η ομάδα περισσότερων από 100 ερευνητών μέτρησε για πρώτη φορά τη διάσπαση ενός ατόμου xenon-124 σε άτομο τεμβούλου 124 μέσω μιας εξαιρετικά σπάνιας διαδικασίας που ονομάζεται διπλή δέσμευση ηλεκτρονίων δύο νετρίνων. Αυτός ο τύπος ραδιενεργού αποσύνθεσης συμβαίνει όταν ένας πυρήνας ενός ατόμου απορροφά ταυτόχρονα δύο ηλεκτρόνια από το εξωτερικό του κέλυφος ηλεκτρονίων, απελευθερώνοντας έτσι μια διπλή δόση των φαινομενικών σωματιδίων που ονομάζονται νετρίνα.
Μέσω της μέτρησης αυτής της μοναδικής αποσύνθεσης σε εργαστήριο για πρώτη φορά, οι ερευνητές μπόρεσαν να αποδείξουν με ακρίβεια πόσο σπάνια είναι η αντίδραση και πόσο διαρκεί η διάσπαση του xenon-124. Ο χρόνος ημίσειας ζωής του xenon-124 - δηλαδή ο μέσος χρόνος που απαιτείται για μια ομάδα ατόμων xenon-124 να μειωθεί κατά το ήμισυ - είναι περίπου 18 έτη sextillion (1,8 x 10 ^ 22 χρόνια), περίπου 1 τρισεκατομμύριο φορές την τρέχουσα ηλικία του σύμπαντος.
Αυτό σηματοδοτεί τον μοναδικό μεγαλύτερο χρόνο ημίσειας ζωής που μετρήθηκε άμεσα σε ένα εργαστήριο, πρόσθεσε ο Wittweg. Μόνο μια διαδικασία πυρηνικής διάσπασης στο σύμπαν έχει μακρύτερο χρόνο ημιζωής: τη διάσπαση του τελλουρίου-128, η οποία έχει χρόνο ημιζωής περισσότερο από 100 φορές μεγαλύτερο από αυτόν του ξενόνου-124. Αλλά αυτό το εξαίρετα σπάνιο γεγονός έχει υπολογιστεί μόνο σε χαρτί.
Μια πολύτιμη αποσύνθεση
Όπως συμβαίνει με τις συνηθέστερες μορφές ραδιενεργού αποσύνθεσης, η σύλληψη δύο ηλεκτρονίων με δύο νετρίνο συμβαίνει όταν ένα άτομο χάνει ενέργεια ως λόγος πρωτονίων και νετρονίων στις αλλαγές του ατομικού πυρήνα. Ωστόσο, η διαδικασία είναι πολύ πιο διαδεδομένη από τις πιο κοινές λειτουργίες αποσύνθεσης και εξαρτάται από μια σειρά "γιγαντών συμπτώσεων", δήλωσε ο Wittweg. Έχοντας τους κυριολεκτικούς τόνους ατόμων ξενογόνου για να δουλέψετε με έκανε τις πιθανότητες αυτών των συμπτώσεων να είναι πιο πιθανές.
Εδώ είναι πώς λειτουργεί: Όλα τα άτομα xenon-124 περιβάλλονται από 54 ηλεκτρόνια, που περιστρέφονται σε θολά κοχύλια γύρω από τον πυρήνα. Η δέσμευση δύο ηλεκτρόνων με δύο ηλεκτρόνια συμβαίνει όταν δύο από αυτά τα ηλεκτρόνια, σε κελύφη κοντά στον πυρήνα, μεταναστεύουν ταυτόχρονα στον πυρήνα, συνθλίβοντας σε ένα πρωτόνιο και μετατρέποντας αυτά τα πρωτόνια σε νετρόνια. Ως υποπροϊόν της μετατροπής αυτής, ο πυρήνας εκτοξεύει δύο νετρίνα, φευγαλέα υποατομικά σωματίδια χωρίς φορτίο και ουσιαστικά χωρίς μάζα που σχεδόν ποτέ δεν αλληλεπιδρούν με τίποτα.
Αυτά τα νετρίνα πετούν στο διάστημα και οι επιστήμονες δεν μπορούν να τα μετρήσουν εκτός αν χρησιμοποιούν εξαιρετικά ευαίσθητο εξοπλισμό. Προκειμένου να αποδειχθεί ότι έχει συμβεί ένα φαινόμενο διπλής δέσμευσης ηλεκτρονίων δύο ουδετερόνων, οι ερευνητές του Xenon εξέτασαν τους κενούς χώρους που άφησαν πίσω στο άτομο που αποσυντίθεται.
"Αφού τα ηλεκτρόνια συλλαμβάνονται από τον πυρήνα, υπάρχουν δύο κενές θέσεις στο ατομικό κέλυφος", δήλωσε ο Wittweg. "Αυτές οι κενές θέσεις είναι γεμάτες από ψηλότερα κελύφη, που δημιουργούν έναν καταρράκτη ηλεκτρονίων και ακτίνων Χ".
Αυτές οι ακτίνες Χ καταθέτουν ενέργεια στον ανιχνευτή, την οποία οι ερευνητές μπορούν να δουν καθαρά στα πειραματικά δεδομένα τους. Μετά από ένα χρόνο παρατηρήσεων, η ομάδα ανίχνευσε περίπου 100 περιπτώσεις ατόμων xenon-124 που αποσυντίθενται με αυτόν τον τρόπο, παρέχοντας την πρώτη άμεση απόδειξη της διαδικασίας.
Αυτή η νέα ανίχνευση της δεύτερης σπανιότερης διαδικασίας αποσύνθεσης στο σύμπαν δεν θέτει την ομάδα Xenon πιο κοντά στην εύρεση της σκοτεινής ύλης, αλλά αποδεικνύει την ευελιξία του ανιχνευτή. Το επόμενο βήμα στα πειράματα της ομάδας περιλαμβάνει την κατασκευή μιας ακόμη μεγαλύτερης δεξαμενής ξένου - αυτή που μπορεί να κρατά πάνω από 8,8 τόνους (8,000 κιλά) υγρού - για να προσφέρει ακόμα περισσότερες ευκαιρίες για ανίχνευση σπάνιων αλληλεπιδράσεων, δήλωσε ο Wittweg.
