Cercando la materia oscura si è osservato un evento con un tempo infinito

I ricercatori sono riusciti ad osservare direttamente un evento che richiede circa un trilione di volte più tempo dell’età dello stesso Universo. Si tratta del processo più lungo e lento mai osservato, ovvero il decadimento radioattivo dello xenon-124, scovato mentre erano alla ricerca della materia oscura.

XENON Collaboration, il più grande rilevatore allo xenon

Il team della XENON Collaboration è riuscito in questa impresa grazie al rilevatore di materia oscura che si trova sotto il Gran Sasso. Come ha affermato Ethan Brown, assistente di fisica presso il Rensselaer Polytechnic Institute: “è incredibile aver assistito a questo processo. Questo significa che il nostro rivelatore è in grado di registrare la cosa più rara mai registrata”. Grazie allo strumento costruito per cercare la materia oscura, la più elusiva dell’universo, i ricercatori sono riusciti a stabilire che lo xenon-124 ha un’emivita di 1,8×1022 anni.

La XENON Collaboration ha effettuato i suoi esperimenti in una vasca da 1300 kg di xenon liquido purissimo, la XENON1T. Questa vasca si trova in un criostato immerso in acque profonde, 1500 metri sotto le montagne del Gran Sasso, per schermarla dai raggi cosmici.

La XENON Collaboration, è una cooperazione di oltre 160 scienziati provenienti dal Medio Oriente, Europa e Stati Uniti. Dal 2002 ha messo a punto tre rilevatori allo xenon liquido nel Laboratorio Nazionale del Gran Sasso. XENON1T è il più grande ed il più sensibile rilevatore di questo tipo mai costruito ed è stato attivo, raccogliendo un buon quantitativo di dati, dal 2016 al 2018.

Alla ricerca della materia oscura i ricercatori scoprono il decadimento dello xenon-124

In questo apparato i ricercatori cercano la materia oscura nei piccoli lampi di luce creati dall’interazione delle particelle di materia oscura con i nuclei degli atomi di xenon. Ma mentre rileva le interazioni delle particelle con lo xeno al suo interno, il rilevatore intercetta i segnali provenienti da qualsiasi interazioni con lo xeno.

Ciò che hanno osservato i ricercatori è un evento di una rarità estrema, ovvero la prova del decadimento dello xeno, la trasformazione quindi di un protone in neutrone, all’interno del nucleo dell’atomo di xenon. A differenza di un normale decadimento però, lo xenon ha bisogno di due elettroni affinché il protone si trasformi in neutrone, e non di uno solo, un evento conosciuto come “cattura a doppio elettrone”. Questo tipo di cattura avviene inoltre solo quando i due elettroni si trovano estremamente vicini al nucleo nel giusto momento. “Si tratta quindi di una evento raro, moltiplicato per un altro evento raro, rendendo il decadimento estremamente raro”, come ha dichiarato Brown.

La fortunata osservazione di un evento estremamente raro

Quando questo evento estremamente raro si è verificato all’interno del rivelatore, fu rilevato il segnale emesso dagli elettroni che si riorganizzavano per riempire il vuoti lasciato dai due elettroni assorbiti dal nucleo dell’atomo di xenon. Come ha spiegato Brown, quando i due elettroni necessari alla doppia cattura sono stati rimossi dal guscio più interno, attorno al nucleo, si è creato uno “spazio libero”, che ha provocato il collasso degli elettroni rimasti allo stato fondamentale. Ed è proprio questo che è stato rilevato dallo strumento.

Questo evento ha permesso ai ricercatori di determinare l’emivita dell’isotopo radioattivo xenon-124, grazie ad un’osservazione diretta del suo decadimento. In merito ha questa scoperta, Curt Breneman, ha dichiarato che si tratta di “una scoperta affascinante che sposta in avanti la frontiera della nostra conoscenza delle caratteristiche fondamentali della materia”.

Al momento gli scienziati stanno continuando ad implementare ed aggiornare l’esperimento, preparandosi alla fase XENONnT, che porterà alla costruzione di un rilevatore tre volte più grande dello XENON1T, per ottenere una maggiore sensibilità ed un minor disturbo di fondo.