Ανιχνευτής σκοτεινής ύλης παρατήρησε μια εξωτική πυρηνική διάσπαση

Posted on 25/04/2019

1


Ο ανιχνευτής XENON1T που σχεδιάστηκε για να παρατηρήσει σωματίδια σκοτεινής ύλης ανίχνευσε μια σπάνια πυρηνική διάσπαση (την διπλή σύλληψη ηλεκτρονίων με εκπομπή δύο νετρίνων) του ισοτόπου Ξένον-124 (124Xe) προς Τελλούριο-124(124Τe). Ο χρόνος ημιζωής του 124Xe είναι 1,8×1022 χρόνια, κατά ένα τρισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από την παρούσα ηλικία του σύμπαντος (13,8×109χρόνια). Πρόκειται για τον μεγαλύτερο χρόνο ημιζωής που παρατηρήθηκε μέχρι σήμερα! [Observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T]

a. Ένα άτομο ιωδίου-124 μεταπίπτει προς τελλούριο-124 διαμέσου της σύλληψης ηλεκτρονίου. Ο πυρήνας του ιωδίου-124 συλλαμβάνει ένα τροχιακό ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο στον πυρήνα μετατρέπεται σε νετρόνιο εκπέμποντας ένα νετρίνο. Ο χρόνος ημιζωής της διαδικασίας αυτής είναι 4.2 ημέρες. b. Το άτομο ξένον-124 δεν μπορεί να πραγματοποιήσει παρόμοια σύλληψη ηλεκτρονίου γιατί το απαγορεύει η αρχή διατήρησης της ενέργειας. Όμως, μπορεί να μετατραπεί σε τελλούριο-124 μέσω μιας σπάνιας διαδικασίας που έχει «τερατώδη» χρόνο ημιζωής, την διαδικασία που είναι γνωστή ως διπλή σύλληψη ηλεκτρονίων με εκπομπή δύο νετρίνων. Ο πυρήνας του ατόμου ξένον-124 συλλαμβάνει δυο τροχιακά ηλεκτρόνια , κι αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μετατροπή δυο πρωτονίων σε νετρόνια και την εκπομπή δυο νετρίνων. Η ερευνητική ομάδα XENON προσδιόρισε τον χρόνο ημιζωής αυτής της διαδικασίας σε 1.8 × 1022 χρόνια — περίπου ένα τρισεκατομμύριο φορές η ηλικία του σύμπαντος.

Η σύλληψη ηλεκτρονίων και οποιαδήποτε άλλη μορφή διάσπασης β καθορίζεται από τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Η διπλή σύλληψη ηλεκτρονίων με εκπομπή δυο νετρίνων ανήκει στην κατηγορία δεύτερης τάξης ασθενούς αλληλεπίδρασης, όπου ο ρυθμός διάσπασης είναι ανάλογος της τέταρτης δύναμης της ασθενούς σταθεράς σύζευξης, και ο σχετικός χρόνος ημιζωής είναι εξαιρετικά μεγάλος. Τα κενά που προκύπτουν από την σύλληψη των δυο τροχιακών ηλεκτρονίων καταλαμβάνονται από άλλα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε υψηλότερες στάθμες, οπότε εκπέμπονται ακτίνες Χ ή εκπέμπονται ατομικά ηλεκτρόνια (ηλεκτρόνια Auger). Έτσι γίνεται δυνατή η παρατήρηση της διπλής αρπαγής ηλεκτρονίων που συνοδεύεται από εκπομπή δυο νετρίνων (τα οποία είναι δύσκολο να παρατηρηθούν).

Το πείραμα ΧΕΝΟΝ μελέτησε την διάσπαση του 124Xe προς 124Τe χρησιμοποιώντας τον ανιχνευτή σκοτεινής ύλης XENON1T. Το όργανο αυτό περιέχει περίπου 3 τόνους εξαιρετικά καθαρού υγρού Χe και σχεδιάστηκε για την ανίχνευση των WIMP (weakly interacting massive particles – σωματίδια σκοτεινής ύλης) από τους πυρήνες 124Xe. Ο ανιχνευτής βρίσκεται κάτω από τον ορεινό όγκο Gran Sasso στην κεντρική Ιταλία, περίπου 120 χιλιόμετρα από τη Ρώμη. Οι ερευνητές κατέγραψαν τις εκπομπές ακτίνων Χ και των ηλεκτρονίων Auger για να ταυτοποιήσουν τη σπάνια διάσπαση. Τα δεδομένα συγκεντρώθηκαν μεταξύ 2017 και 2018 στα πλαίσια της αναζήτησης των WIMPs.

Μετά την επιτυχία της μέτρησης του μεγαλύτερου χρόνου ημιζωής ισοτόπου (μέχρι σήμερα) οι φυσικοί του XENON εξετάζουν τώρα κι άλλες δυνατότητες. Θα επιχειρήσουν την ανίχνευση της διπλής σύλληψης ηλεκτρονίων χωρίς εκπομπή νετρίνων ή της διπλής διάσπασης β χωρίς νετρίνα, κάτι που θα έδειχνε ότι το νετρίνο είναι σωματίδιο Majorana, δηλ. ότι το νετρίνο ταυτίζεται με το αντισωματίδιό του. [Διαβάστε σχετικά: Η διάσπαση β και η διπλή διάσπαση β χωρίς νετρίνα]

Δείτε και το σχετικό βίντεο:

πηγή: https://www.nature.com/articles/d41586-019-01212-8

Ετικέτα: