Come fai ad osservare un processo che richiede più di un trilione di volte in più rispetto all’età dell’universo? Il team di ricerca della Collaborazione XENON lo ha fatto con uno strumento costruito per trovare la particella più elusiva nell’universo – la materia oscura. In un documento sulla rivista Nature, i ricercatori annunciano di aver osservato il decadimento radioattivo di xenon-124, che ha un’emivita di 1,8 X 1022 anni.
“In realtà abbiamo visto accadere questo decadimento. È il processo più lungo e 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 presso Rensselaer, e co-autore dello studio. “È incredibile aver assistito a questo processo e ciò afferma che il nostro rilevatore può misurare la cosa più rara mai registrata”.
La ricerca sotto il Gran Sasso
La XENON Collaboration gestisce XENON1T, una vasca da 1.300 chilogrammi di xenon liquido purissimo schermato dai raggi cosmici in un criostato immerso in acque profonde 1.500 metri sotto le montagne del Gran Sasso. I ricercatori cercano la materia oscura (che è cinque volte più abbondante della materia ordinaria, ma raramente interagisce con la materia ordinaria) registrando piccoli 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 rilevatore in realtà preleva segnali da qualsiasi interazione con lo xeno.
Le prove per il decadimento dello xeno sono state prodotte come un protone all’interno del nucleo di un atomo di xeno convertito in un neutrone. Nella maggior parte degli elementi soggetti al decadimento, ciò accade quando un elettrone viene tirato nel nucleo. Ma un protone in un atomo di xeno deve assorbire due elettroni per convertirsi in un neutrone, un evento chiamato “cattura a doppio elettrone“.
La cattura di due elettroni avviene solo quando due degli elettroni si trovano proprio accanto al nucleo al momento giusto, ha detto Brown, che è “una cosa rara moltiplicata per un’altra cosa rara, rendendola estremamente rara“.
Quando è accaduto l’ultra-raro, e una cattura di doppio elettrone si verificò all’interno del rivelatore, gli strumenti raccolsero il segnale degli elettroni nell’organico che si riordinarono per riempire i due che erano stati assorbiti nel nucleo.
Un evento estremamente raro, osservato direttamente
“Gli elettroni in doppia cattura vengono rimossi dal guscio più interno attorno al nucleo, e ciò crea spazio in quel guscio”, ha detto Brown. “Gli elettroni rimanenti collassano allo stato fondamentale, e abbiamo visto questo processo di collasso nel nostro rivelatore”.
Il risultato è la prima volta che gli scienziati hanno misurato l’emivita di questo isotopo di xeno basandosi su un’osservazione diretta del suo decadimento radioattivo.
“Questa è una scoperta affascinante che avanza le frontiere della conoscenza sulle caratteristiche fondamentali della materia”, ha dichiarato Curt Breneman, preside della School of Science. “Il lavoro del dr. Brown nel calibrare il rivelatore e assicurare che lo xeno sia lavato al più alto livello possibile di purezza è stato fondamentale per fare questa importante osservazione. ”
La Collaborazione XENON comprende più di 160 scienziati provenienti da Europa, Stati Uniti e Medio Oriente e, dal 2002, ha operato tre rilevatori di xeno liquido successivamente più sensibili nel Laboratorio Nazionale del Gran Sasso. XENON1T, il più grande rilevatore di questo tipo mai costruito, ha acquisito i dati dal 2016 fino al dicembre 2018, quando è stato spento. Gli scienziati stanno attualmente aggiornando l’esperimento per la nuova fase XENONnT, che presenterà una massa di rivelatore attiva tre volte più grande di XENON1T. Insieme a un livello di sfondo ridotto, ciò aumenterà la sensibilità del rilevatore di un ordine di grandezza.
