Детектор темної матерії вловив ультра-рідкісну подію

Як спостерігати процес, який триває в один трильйон разів довше ніж вік Всесвіту?

Дослідницька група "XENON Collaboration" здійснила це за допомогою інструменту, створеного для пошуку найбільш невловимої частинки у Всесвіті - темної матерії, говориться в прес-релізі Ренсселерського політехнічного інституту (штат Нью-Йорк, США).

У роботі, яка буде опублікована 25 квітня в журналі Nature, дослідники повідомляють, що вони спостерігали радіоактивний розпад ксенону-124, який має період напіврозпаду 1,8^1022 років.

"Ми дійсно бачили, як це відбувається. Це найдовший, найповільніший процес, який коли-небудь безпосередньо спостерігався, і наш детектор темної матерії був достатньо чутливим, щоб його виміряти", - сказав Ітан Браун, доцент кафедри фізики в Ренсселері, і співавтор дослідження. "Це дивно, що ми стали свідками цього процесу, і це говорить, що наш детектор може виміряти рідкісні речі, що коли-небудь були зафіксовані", - додав він.

Група дослідників використовує XENON1T - 1300-кілограмовий резервуар з надчистим рідким ксеноном, захищеним від космічних променів у кріостаті, зануреним у воду на глибині 1500 метрів під горами Гран-Сассо в Італії. Дослідники шукають темну матерію (якої в п′ять разів більше, ніж звичайної матерії, але вона рідко взаємодіє зі звичайною матерією), реєструючи крихітні спалахи світла, що утворюються при взаємодії частинок з ксеноном всередині детектора. І хоча XENON1T побудований для реєстрації взаємодії між частинкою темної матерії і ядром атома ксенону, детектор фактично вловлює сигнали від будь-яких взаємодій з ксеноном.

Докази розпаду ксенону були отримані у вигляді протона всередині ядра атома ксенону, перетвореного на нейтрон. У більшості елементів, що підлягають розпаду, це відбувається, коли один електрон втягується в ядро. Але протон в атомі ксенону повинен поглинути два електрони для перетворення на нейтрон - ця подія називається "подвійне електронне захоплення".

Подвійне електронне захоплення відбувається лише тоді, коли два електрони знаходяться поруч з ядром у потрібний час, що, як зазначив Браун, є "рідкісним явищем, помноженим на іншу рідкістну річ, що робить його ультра-рідкістним".

Коли ультра-рідкісне трапилося, і всередині детектора відбулося подвійне електронне захоплення, прилади вловили сигнал електронів, що перевпорядковувалися в атомі, щоб заповнити місця тих двох, які були поглинуті в ядрі.

"Електрони в подвійному захопленні видаляються з найвнутрішньої оболонки навколо ядра, і це створює [вакантне] місце в цій оболонці", - розповідає Браун. "Електрони, що лишилися, колапсують до основного стану, і ми побачили цей процес колапсації в нашому детекторі".

Це є досягненням - вперше вчені виміряли період напіврозпаду цього ізотопу ксенону на основі безпосереднього спостереження за його радіоактивним розпадом.

"XENON Collaboration" включає понад 160 вчених з Європи, США та Близького Сходу, і з 2002 року експлуатує три послідовно під′єднані детектори на рідкому ксеноні в Національній лабораторії Гран-Сассо в Італії. XENON1T - найбільший детектор свого типу, що коли-небудь будувався, збирав дані з 2016 року до грудня 2018 року, коли його вимкнули. На даний час вчені модернізують експеримент для нової фази досліджень, XENONnT, яка матиме активну масу детектора в три рази більшу, ніж XENON1T. Разом із зниженим фоновим рівнем, це на порядок підвищить чутливість детектора.