Hoe observeer je een proces dat meer dan een biljoen keer langer duurt dan de leeftijd van het heelal? Het onderzoeksteam van XENON Collaboration deed het met een instrument dat is gebouwd om het meest ongrijpbare deeltje in het universum te vinden:donkere materie. In een artikel dat morgen in het tijdschrift verschijnt Natuur , onderzoekers kondigen aan dat ze het radioactieve verval van xenon-124 hebben waargenomen, die een halfwaardetijd heeft van 1,8 X 10 ²² jaar.

"We hebben dit verval echt zien gebeuren. Het is de langste, langzaamste proces dat ooit direct is waargenomen, en onze donkere-materiedetector was gevoelig genoeg om het te meten, " zei Ethan Brown, een assistent-professor natuurkunde aan Rensselaer, en co-auteur van de studie. "Het is geweldig om getuige te zijn geweest van dit proces, en er staat dat onze detector het zeldzaamste kan meten dat ooit is geregistreerd."

De XENON-samenwerking draait XENON1T, een 1, 300 kilogram vat superzuiver vloeibaar xenon, afgeschermd van kosmische straling in een cryostaat ondergedompeld in water diep 1, 500 meter onder de Gran Sasso-bergen van Italië. De onderzoekers zoeken naar donkere materie (die vijf keer overvloediger is dan gewone materie, maar zelden interageert met gewone materie) door kleine lichtflitsen op te nemen die ontstaan ​​wanneer deeltjes interageren met xenon in de detector. En terwijl XENON1T is gebouwd om de interactie tussen een donkeremateriedeeltje en de kern van een xenonatoom vast te leggen, de detector pikt eigenlijk signalen op van eventuele interacties met het xenon.

Het bewijs voor xenon-verval werd geproduceerd als een proton in de kern van een xenon-atoom dat werd omgezet in een neutron. In de meeste elementen die onderhevig zijn aan verval, dat gebeurt wanneer één elektron de kern in wordt getrokken. Maar een proton in een xenon-atoom moet twee elektronen absorberen om in een neutron om te zetten, een gebeurtenis genaamd 'dubbele elektronenvangst'.

Dubbele elektronenvangst gebeurt alleen wanneer twee van de elektronen precies op het juiste moment naast de kern zijn, Bruin zei, dat is "een zeldzaam iets vermenigvuldigd met een ander zeldzaam ding, waardoor het uiterst zeldzaam is."

Toen het uiterst zeldzame gebeurde, en een dubbele elektronenvangst vond plaats in de detector, instrumenten pikten het signaal van elektronen in het atoom op en herschikten zich om de twee in te vullen die in de kern waren geabsorbeerd.

"Elektronen in dubbele opname worden verwijderd uit de binnenste schil rond de kern, en dat schept ruimte in die schil, "zei Brown. "De resterende elektronen storten in tot de grondtoestand, en we zagen dit instortingsproces in onze detector."

Het is de eerste keer dat wetenschappers de halfwaardetijd van deze xenon-isotoop hebben gemeten op basis van een directe observatie van het radioactieve verval.

"Dit is een fascinerende bevinding die de grenzen van kennis over de meest fundamentele kenmerken van materie verlegt, " zei Curt Breneman, decaan van de School of Science. "Het werk van Dr. Brown om de detector te kalibreren en ervoor te zorgen dat het xenon volgens de hoogst mogelijke zuiverheidsstandaard wordt gewassen, was van cruciaal belang voor het maken van deze belangrijke observatie."

De XENON-samenwerking omvat meer dan 160 wetenschappers uit Europa, de Verenigde Staten, en het Midden-Oosten, en, sinds 2002, heeft drie achtereenvolgens gevoeligere vloeibare xenondetectoren gebruikt in het Gran Sasso National Laboratory in Italië. XENON1T, de grootste detector in zijn soort ooit gebouwd, verzamelde gegevens van 2016 tot december 2018, toen het was uitgeschakeld. Wetenschappers zijn momenteel bezig met het upgraden van het experiment voor de nieuwe XENONnT-fase, die een actieve detectormassa zal hebben die drie keer groter is dan XENON1T. Samen met een verlaagd achtergrondniveau, dit verhoogt de gevoeligheid van de detector met een orde van grootte.