Детектор темной материи уловил ультра-редкое событие

Как наблюдать процесс, который проходит в один триллион раз дольше возраста Вселенной?

Исследовательская группа "XENON Collaboration" осуществила это с помощью инструмента, созданного для поиска наиболее неуловимой частицы во Вселенной - темной материи, говорится в пресс-релизе Ренсселерського политехнического института (штат Нью-Йорк, США).

В работе, которая будет опубликована 25 апреля в журнале Nature, исследователи сообщают, что они наблюдали радиоактивный распад ксенона-124, который имеет период полураспада 1,8 ^ 1022.

"Мы действительно видели, как это происходит. Это самый длинный, медленный процесс, который когда-либо непосредственно наблюдался, и наш детектор темной материи был достаточно чувствительным, чтобы его измерить", - сказал Итан Браун, доцент кафедры физики в Ренсселер, и соавтор исследования . "Это удивительно, что мы стали свидетелями этого процесса, и это говорит, что наш детектор может измерить самые редкие вещи, которые когда-либо были зафиксированы", - добавил он.

Группа исследователей использует XENON1T - 1300-килограммовый резервуар с сверхчистым жидким ксеноном, защищенным от космических лучей в криостате, погруженным в воду на глубине 1500 метров под горами Гран-Сассо в Италии. Исследователи ищут темную материю (которой в пять раз больше, чем обычной материи, но она редко взаимодействует с обычной материей), регистрируя крошечные вспышки света, образующиеся при взаимодействии частиц с ксеноном внутри детектора. И хотя XENON1T построен для регистрации 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, подлежащих распаду, это происходит, когда один электрон втягивается в ядро. Но протон в атоме ксенона должен поглотить два электрона для превращения в нейтрон - это событие называется "двойной электронный захват".

Двойной электронный захват происходит только тогда, когда два электрона находятся рядом с ядром в нужное время, что, как отметил Браун, является "редким явлением, умноженным на другую редкую вещь, что делает его ультра-редким".

Когда ультра-редкое случилось, и внутри детектора произошел двойной электронный захват, приборы уловили сигнал электронов, которые переупорядочивались в атоме, чтобы заполнить места тех двух, поглощенных в ядре.

"Электроны в двойном захвате удаляются с наиверхней оболочки вокруг ядра, и это создает [вакантное] место в этой оболочке", - рассказывает Браун. "Оставшиеся электроны коллапсируют к основному состоянию, и мы увидели этот процесс коллапсации в нашем детекторе".

Это является достиженим: впервые ученые измерили период полураспада этого изотопа ксенона на основе непосредственного наблюдения за его радиоактивным распадом.

"XENON Collaboration" включает более 160 ученых из Европы, США и Ближнего Востока, и с 2002 года эксплуатирует три последовательно подключенных детектора на жидком ксеноне в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии. XENON1T - крупнейший детектор своего типа, из когда-нибудь строившийся, собирал данные с 2016 по декабрь 2018 года, когда его выключили. В настоящее время ученые модернизируют эксперимент для новой фазы исследований, XENONnT, которая будет иметь активную массу детектора в три раза больше, чем XENON1T. Вместе с пониженным фоновым уровнем, это на порядок повысит чувствительность детектора.