Kaip stebėti procesą, trunkantį daugiau nei trilijoną kartų ilgiau už Visatos amžių? XENON Collaboration tyrėjų komanda atliko tai instrumentu, skirtu neapčiuopiamų Visatos tamsiosios materijos dalelių paieškai. Balandžio 25 dieną žurnale Nature publikuotame straipsnyje tyrėjai praneša stebėję ksenono-124 skilimą, kurio pusperiodis yra 1,8×10²² metų.
„Iš tiesų matėme, kaip vyksta šis skilimas. Tai – ilgiausias, lėčiausias kada nors tiesiogiai stebėtas procesas, ir mūsų tamsiosios materijos detektorius pakankamai jautrus, kad jį išmatuotų,“ sakė Ethanas Brownas, fizikos asist. prof. Rensselaer, ir tyrimo benraautorius. „Nuostabu būti šio proceso liudininku, ir tai rodo, kad mūsų detektorius gali užfiksuoti rečiausią kada nors užfiksuotą įvykį.“
XENON Collaboration naudoja XENON1T, 1 300 kilogramų indą pilną supergryno skysto ksenono, nuo kosminių spindulių saugomo kriostate, panardintame į vandenį 1 500 metrų po Gran Sasso kalnais Italijoje. Tyrėjai ieško tamsiosios materijos (kurios penkis kartus daugiau, nei įprastos, bet kuri labai retai su įprasta materija sąveikauja) fiksuodami mažus šviesos žybsnius, kai dalelės sąveikauja su detektoriaus ksenonu. O kadangi XENON1T buvo skirtas fiksuoti tamsiosios materijos dalelės ir ksenono branduolio sąveiką, detektorius aptinka bet kokią sąveiką su ksenonu.
Ksenono skilimo požymiai radosi, ksenono atomo branduolio protonui pavirtus į neutroną. Daugumoje skylančių elementų tai nutinka, kai į branduolį įtraukiamas vienas elektronas. Bet kad pavirstų neutronu, protonas ksenono branduolyje privalo sugerti du elektronus, – įvykti „dvigubas elektrono perėmimas.“
Dvigubas elektrono perėmimas vyksta tik tada, kai visai šalia branduolio du elektronai atsiduria tinkamu metu – „retas įvykis turi vykti kartu su kitu retu įvykiu, tad bendras įvykis nutinka itin retai,“ paaiškino Brownas
.Kai ši ultrareta proga pasitaikė ir dvigubas elektrono perėmimas įvyko detektoriuje, instrumentas užfiksavo atomo elektronų persirikiavimo, užpildant poros branduolio absorbuotų elektronų vietas, signalą.
„Vykstant dvigubam perėmimui, elektronai perimami iš artimiausio branduoliui elektrono sluoksnio, ir jame atsiranda laisva vieta,“ sakė Brownas. „Likę elektronai peršoka į žemiausią lygį ir mes šį procesą užfiksavome detektoriuje.“
Šis pasiekimas pirmą kartą leido šmatuoti šio ksenono izotopo pusinio skilimo periodą, remiantis tiesioginiu jo radioaktyvaus skilimo stebėjimu.
„Tai – stulbinamas atradimas, praplečiantis fundamentaliausių materijos savybių pažinimo ribas,“ pabrėžė Mokslo mokyklos dekanas Curtas Brenemanas. „Dr. Browno darbas kalibruojant detektorių ir užtikrinant ksenono švarumą iki aukščiausio įmanomo lygio, buvo kritiškai svarbūs šiam svarbiam stebėjimui.“
XENON Collaboration dalyvauja daugiau nei 160 mokslininkų iš Europos, JAV ir Viduriniųjų Rytų, o nuo 2002 metų,naudojo tris vis jautresnius skysto ksenono detektorius Gran Sasso Nacionalinėje laboratorijoje Italijoje. XENON1T, didžiausias tokio tipo detktorius, duomenis rinko nuo 2016 metų iki 2018 metų gruodžio, kai buvo išjungtas. Dabar mokslininkai rengia eksperimentą naujai XENONnT fazei, kurioje aktyvi detektoriaus masė bus trigubai didesnė, nei XENON1T. Drauge su mažesniu foninio triukšmo lygiu, tai detektorius jautrumą padidins maždaug 10 kartų.
