Mørkt stofdetektor observerer den sjældneste hændelse nogensinde registreret

Hvordan observerer man en proces, der tager mere end en billion gange længere end universets alder? XENON Collaboration-forskerholdet gjorde det med et instrument bygget til at finde den mest undvigende partikel i universet - mørkt stof. I et papir, der offentliggøres i morgen i tidsskriftet Natur , forskere meddeler, at de har observeret det radioaktive henfald af xenon-124, som har en halveringstid på 1,8 X 10 ²² flere år.

"Vi så faktisk dette forfald ske. Det er det længste, langsomste proces, der nogensinde er blevet observeret direkte, og vores mørkestofdetektor var følsom nok til at måle det, " sagde Ethan Brown, en assisterende professor i fysik ved Rensselaer, og medforfatter til undersøgelsen. "Det er fantastisk at have været vidne til denne proces, og den siger, at vores detektor kan måle den sjældneste ting, der nogensinde er registreret."

XENON Collaboration kører XENON1T, en 1, 300 kg kar af superren flydende xenon afskærmet fra kosmiske stråler i en kryostat nedsænket i vand dybt 1, 500 meter under Gran Sasso-bjergene i Italien. Forskerne søger efter mørkt stof (som er fem gange mere rigeligt end almindeligt stof, men vekselvirker sjældent med almindeligt stof) ved at registrere små lysglimt, der skabes, når partikler interagerer med xenon inde i detektoren. Og mens XENON1T blev bygget til at fange interaktionen mellem en mørk stofpartikel og kernen af ​​et xenonatom, Detektoren opfanger faktisk signaler fra enhver interaktion med xenon.

Beviset for xenon-henfald blev produceret som en proton inde i kernen af ​​et xenonatom omdannet til en neutron. I de fleste elementer, der er udsat for forfald, det sker, når en elektron trækkes ind i kernen. Men en proton i et xenonatom skal absorbere to elektroner for at omdanne til en neutron, en begivenhed kaldet "dobbelt-elektronfangst."

Dobbeltelektronindfangning sker kun, når to af elektronerne er lige ved siden af ​​kernen på det helt rigtige tidspunkt, Brown sagde, som er "en sjælden ting ganget med en anden sjælden ting, gør det ultra-sjældent."

Da det ultra-sjældne skete, og en dobbeltelektronindfangning fandt sted inde i detektoren, instrumenter opfangede signalet fra elektroner i atomet, der omarrangerede for at udfylde de to, der blev absorberet i kernen.

"Elektroner i dobbeltindfangning fjernes fra den inderste skal omkring kernen, og det skaber plads i den skal, " sagde Brown. "De resterende elektroner kollapser til grundtilstanden, og vi så denne kollapsproces i vores detektor."

Præstationen er første gang, videnskabsmænd har målt halveringstiden for denne xenonisotop baseret på en direkte observation af dens radioaktive henfald.

"Dette er en fascinerende opdagelse, der fremmer grænserne for viden om de mest fundamentale egenskaber ved stof, " sagde Curt Breneman, dekan for Videnskabsskolen. "Dr. Browns arbejde med at kalibrere detektoren og sikre, at xenon er skrubbet til den højest mulige standard for renhed var afgørende for at gøre denne vigtige observation."

XENON-samarbejdet omfatter mere end 160 videnskabsmænd fra Europa, De Forenede Stater, og Mellemøsten, og, siden 2002, har drevet tre successivt mere følsomme flydende xenon-detektorer i Gran Sasso National Laboratory i Italien. XENON1T, den største detektor af sin type, der nogensinde er bygget, indsamlet data fra 2016 til december 2018, da den blev slukket. Forskere opgraderer i øjeblikket eksperimentet til den nye XENONnT-fase, som vil have en aktiv detektormasse tre gange større end XENON1T. Sammen med et reduceret baggrundsniveau, dette vil øge detektorens følsomhed med en størrelsesorden.