Come si osserva un processo che dura più di un trilione di volte in più rispetto all'età dell'universo? Il team di ricerca di XENON Collaboration lo ha fatto con uno strumento costruito per trovare la particella più sfuggente dell'universo:la materia oscura. In un articolo che sarà pubblicato domani sulla rivista Natura , i ricercatori annunciano di aver osservato il decadimento radioattivo dello xeno-124, che ha un'emivita di 1,8 X 10 ²² anni.

"In realtà abbiamo visto questo decadimento accadere. È il più lungo, processo più lento che sia mai stato osservato direttamente, e il nostro rilevatore di materia oscura era abbastanza sensibile da misurarlo, " ha detto Ethan Brown, un assistente professore di fisica a Rensselaer, e co-autore dello studio. "È incredibile aver assistito a questo processo, e dice che il nostro rilevatore può misurare la cosa più rara mai registrata."

La collaborazione XENON esegue XENON1T, un 1, Vasca da 300 chilogrammi di xeno liquido super puro schermato dai raggi cosmici in un criostato sommerso in acqua profonda 1, 500 metri sotto le montagne del Gran Sasso d'Italia. I ricercatori cercano la materia oscura (che è cinque volte più abbondante della materia ordinaria, ma raramente interagisce con la materia ordinaria) registrando minuscoli lampi di luce creati quando le particelle interagiscono con lo xeno all'interno del rivelatore. E mentre XENON1T è stato costruito per catturare l'interazione tra una particella di materia oscura e il nucleo di un atomo di xeno, il rivelatore capta effettivamente i segnali da qualsiasi interazione con lo xeno.

L'evidenza del decadimento dello xeno è stata prodotta come un protone all'interno del nucleo di un atomo di xeno convertito in neutrone. Nella maggior parte degli elementi soggetti a decadimento, ciò accade quando un elettrone viene attirato nel nucleo. Ma un protone in un atomo di xeno deve assorbire due elettroni per convertirsi in un neutrone, un evento chiamato "cattura del doppio elettrone".

La cattura del doppio elettrone avviene solo quando due degli elettroni sono proprio accanto al nucleo al momento giusto, Brown ha detto, che è "una cosa rara moltiplicata per un'altra cosa rara, rendendolo ultra-raro."

Quando è successo l'ultra-raro, e si è verificata una cattura di doppio elettrone all'interno del rivelatore, gli strumenti hanno raccolto il segnale degli elettroni nell'atomo riorganizzandosi per riempire i due che sono stati assorbiti nel nucleo.

"Gli elettroni in doppia cattura vengono rimossi dal guscio più interno attorno al nucleo, e che crea spazio in quel guscio, " disse Brown. "Gli elettroni rimanenti collassano allo stato fondamentale, e abbiamo visto questo processo di collasso nel nostro rilevatore."

Il risultato è la prima volta che gli scienziati hanno misurato l'emivita di questo isotopo di xeno sulla base di un'osservazione diretta del suo decadimento radioattivo.

"Questa è una scoperta affascinante che fa avanzare le frontiere della conoscenza delle caratteristiche più fondamentali della materia, " disse Curt Breneman, preside della Scuola di Scienze. "Il lavoro del Dr. Brown nel calibrare il rivelatore e nell'assicurare che lo xeno venga lavato al più alto standard di purezza possibile è stato fondamentale per fare questa importante osservazione".

La collaborazione XENON comprende più di 160 scienziati dall'Europa, gli Stati Uniti, e il Medio Oriente, e, dal 2002, ha operato tre rivelatori di xeno liquido successivamente più sensibili nel Laboratorio Nazionale del Gran Sasso in Italia. XENO1T, il più grande rivelatore di questo tipo mai costruito, dati acquisiti dal 2016 fino a dicembre 2018, quando è stato spento. Gli scienziati stanno attualmente aggiornando l'esperimento per la nuova fase XENONnT, che presenterà una massa del rivelatore attivo tre volte più grande di XENON1T. Insieme a un livello di sfondo ridotto, questo aumenterà la sensibilità del rivelatore di un ordine di grandezza.