С помощью детектора темной материи XENON1T команда физиков обнаружила радиоактивный распад ядра ксенона-124, среднее время ожидания которого в триллион раз превышает возраст Вселенной. Авторы открытия называют это событие самым редким из когда-либо наблюдавшихся наукой. Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature коллаборацией XENON.
Отметим, что детектор XENON1T (на фото выше) представляет собой сосуд с 1300 кг смеси изотопов жидкого ксенона, заключенный в погруженном в воду «холодильнике», расположенном на глубине 1500 метров в подземной лаборатории Гран-Сассо. Идея расположить установку в столь труднодоступном месте состоит в том, чтобы предельно изолировать ксенон от космических лучей и других потоков частиц. Тогда ядрам атомов вещества будет практически не с чем вступать в реакции — не с чем, кроме таинственной темной материи, которая, как правило, не участвует ни в каких взаимодействиях кроме гравитационного, но, возможно, иногда все-таки взаимодействует с обычным веществом, в том числе и с ксеноном. И хотя XENON1T построен для обнаружения гипотетического взаимодействия между частицей темной материи и ядром атома ксенона, детектор фактически способен улавливать сигналы и от естественного радиоактивного распада задействованного вещества.
XENON1T был запущен в 2016 году и остановлен в декабре 2018 года. Своей основной цели – обнаружения темной материи – он не достиг. Однако принес физикам другой впечатляющий результат. Аппаратура зафиксировала ECEC-распад ядра ксенона-124 (на тонну смеси изотопов ксенона в детекторе приходится примерно килограмм ксенона-124) — процесс, который относится к самому медленному из всех известных типов радиоактивного распада. Чтобы он произошел, нужно, чтобы два протона в ядре одновременно захватили по электрону из электронной оболочки атома и превратились в нейтроны. Проблема в том, что даже один электрон крайне редко оказывается «в нужное время в нужном месте» и бывает захвачен ядром. Почти невозможно, чтобы два таких события произошли одновременно. Поэтому среднее время жизни ядра при этом типе распада очень велико: для ксенона-124 оно составляет порядка 1022 лет, что в триллион раз превышает возраст Вселенной (порядка десяти миллиардов лет).
К счастью для физиков, среднее время жизни – именно среднее. Всегда можно надеяться, что в большой массе вещества найдется ядро, которое распадется здесь и сейчас, и физикам таки повезло. Ядро ксенона захватило два электрона и превратилось в ядро теллура. Оставшиеся электроны стремительно перестроились, чтобы занять освободившиеся энергетически выгодные места поблизости от ядра. При этом они испустили оже-электроны и рентгеновское излучение (как всегда бывает, когда электрон переходит с верхнего энергетического уровня на нижний) — их и зафиксировали датчики.
Статистическая достоверность результата составляет 4,4 сигма. Это значит, что он наверняка является истинным, а не случайной комбинацией шумов.
«Нам удалось увидеть этот распад воочию. Это самый долгий, медленный процесс, который когда-либо удавалось изучить человечеству, и наш детектор оказался достаточно чувствительным, чтобы мы могли проследить за ним напрямую. Удивительно, но теперь мы можем уверенно сказать, что XENON1T зафиксировать самое редкое событие во Вселенной», — заявил Итан Браун из Политехнического института Ренсселера в Трое.
Разумеется, наука – не спорт, и физиков не интересуют рекорды ради рекордов. С нынешним открытием ученые получили прямые данные о времени жизни ядра при этом редком типе распада. Оно важно для понимания внутреннего устройства ядер. Возможно, эти сведения в дальнейшем помогут обнаружить еще более редкий и пока еще гипотетический процесс – двойной безнейтринный распад. А уж он, в свою очередь, может подсказать, почему материя, из которой мы состоим, не была уничтожена антивеществом на заре существования Вселенной.
Напоследок отметим, что сейчас ученые XENON готовятся к запуску новой фазы эксперимента – XENONnT. В этой установке масса ксенона будет втрое больше, а защита от посторонних воздействий еще лучше, чем у XENON1T. В результате чувствительность детектора повысится примерно в десять раз. И тогда он, возможно, все-таки зафиксирует загадочную темную материю.
Источник: CNET
- Ранее ученым удалось зафиксировать ECEC-распад для изотопов криптона-78 и бария-130. Однако для ксенона-124 среднее время жизни ядра значительно больше, так что это действительно рекорд.