Aceasta este cea mai lentă descompunere radioactivă observată vreodată

Pentru prima dată, cercetătorii au observat direct un tip exotic de descompunere radioactivă numită captură de electroni dubli cu doi neutrini.

Dezintegrarea, observată în atomii de xenon-124, are loc atât de puțin încât ar dura 18 sextilioane de ani (18 urmați de 21 de zerouri) pentru ca o probă de xenon-124 să se micșoreze la jumătate, făcând degradarea extrem de dificil de detectat. Observația mult așteptată a captării de electroni dubli cu doi neutrini, raportată în 25 aprilie Naturăpune bazele pentru ca cercetătorii să găsească o versiune încă nevăzută, și mai rară a acestei dezintegrare: captarea electronului dublu fără neutrini.

Observarea acestui proces ar confirma că particulele subatomice numite neutrini sunt propriile lor particule de antimaterie, ceea ce ar putea ajuta la rezolvarea misterului de ce universul nostru este format aproape în întregime din materie, mai degrabă decât din antimaterie (SN: 17.3.18, str. 14).

„A fost destul de agitat în cadrul comunității că acest rezultat iese la iveală”, spune Lindley Winslow, un fizician la MIT care nu este implicat în lucrare.

Xenon-124 este un izotop, o formă a unui element având același număr de protoni, dar un număr diferit de neutroni (numărul desemnează numărul total de protoni și neutroni din nucleu). Este unul dintre puținii izotopi radioactivi care se descompune prin captarea electronului dublu cu doi neutrini. Dar atomii suferă această degradare atât de rar, încât cercetătorii au trebuit să monitorizeze o cantitate imensă de xenon pentru a avea șansa de a-l vedea.

Fizicianul de particule Christian Wittweg de la Universitatea din Münster din Germania și colegii săi au căutat semnături ale captării de electroni dubli cu doi neutrini cu detectorul XENON1T, o mașină folosită de obicei pentru a căuta materia întunecată. Dispozitivul, protejat de radiațiile de fond în Laboratorul Național subteran Gran Sasso din Italia, conține aproximativ trei tone metrice de xenon.

În captarea de electroni dubli cu doi neutrini, un nucleu atomic prinde doi electroni din învelișurile de electroni din jur, transformând doi protoni din nucleu în neutroni și scuipat doi neutrini. Deși neutrinii înșiși se sustrage de la detectare, procesul de captare a electronilor emite raze X și ejectează alți electroni din atom care sunt detectabili.

Timp de decădere

În captarea electronului dublu cu doi neutrini, doi electroni cad în nucleul unui atom (ilustrat în stânga), transformând doi protoni (roșu) în doi neutroni (alb). Această dezintegrare emite doi neutrini („v” în dreapta), precum și electroni și raze X.

Din februarie 2017 până în februarie 2018, XENON1T a captat emisiile semnalizatoare ale captării de electroni dubli cu doi neutrini de aproximativ 126 de ori. Acest lucru stabilește timpul de înjumătățire al xenon-124 la aproximativ 18 sextilioane de ani, care este cel mai lung timp de înjumătățire măsurat vreodată direct într-o substanță radioactivă – și de aproximativ 1 trilion de ori mai lung decât vârsta universului (SN: 3/2/19, str. 32).

„Faptul că au reușit să măsoare aceste descompunere în xenon-124 este o mare realizare”, spune Javier Menéndez, fizician la Centrul de Studii Nucleare al Universității din Tokyo, care nu este implicat în lucrare.

Aceste rezultate arată potențialul detectorilor de materie întunecată precum XENON1T de a identifica captarea de electroni dubli fără neutrini. Ar urma un proces de dezintegrare foarte asemănător, dar niciun neutrino nu ar scăpa din nucleu. În schimb, razele gamma ar ieși din atom împreună cu razele X și electronii observați în dezintegrarea a doi neutrini.

Teoreticienii pot folosi, de asemenea, timpul de înjumătățire nou măsurat pentru a testa cât de bine modelele teoretice ale fizicii din interiorul nucleelor ​​atomice descriu această observație, spune Menéndez. Acele modele de fizică nucleară ar putea informa proiectarea experimentelor care vânează versiunea fără neutrini a dezintegrarii.

Captura de electroni dubli fără neutrini poate avea loc numai dacă neutrinii sunt propriile lor antiparticule – adică, spre deosebire de particulele normale care sunt asociate cu omologii de antimaterie, neutrinii poartă ambele pălării (SN: 19.08.17, str. 8). Deci, dacă cineva ar observa vreodată această dezintegrare, asta ar confirma natura duală a neutrinilor.

O astfel de descoperire ar avea implicații mult mai largi decât acordarea unui statut special neutrinilor printre particulele hoi polloi ale universului. Unul dintre marile mistere ale cosmologiei este motivul pentru care universul este compus din materie, când se presupune că materia și antimateria au fost produse în cantități aproximativ egale în timpul Big Bang-ului. Dacă neutrinii pot acționa atât ca niște particule, cât și ca antiparticule, atunci fizicienii bănuiesc că neutrinii au jucat un rol cheie în dezordinea echilibrului materie-antimaterie din universul timpuriu (SN: 7/6/02, str. 10).

Puzzle-ul nerezolvat al dezechilibrului materie-antimaterie „nu este cel mai jenant lucru din fizica particulelor, dar este acolo sus”, spune Yury Kolomensky, un fizician nuclear și al particulelor la Universitatea din California, Berkeley, care nu este implicat în lucrare. Deci, confirmarea faptului că neutrinii sunt într-adevăr propriile lor antiparticule pentru a ajuta la rezolvarea acestei enigma „ar fi destul de interesant”.