“Vi så faktisk dette forfallet skje. Det er den lengste, tregeste prosessen som noen gang har blitt observert direkte, og mørk materiedetektoren vår var følsom nok til å måle den,» sa Ethan Brown, en assisterende professor i fysikk ved Rensselaer Polytechnic Institute om en prosess som tar mer enn én billion ganger lengre enn universets alder. “Det er utrolig å ha vært vitne til denne prosessen, og den sier at detektoren vår kan måle det sjeldneste som noen gang er registrert.”
Oppdaget i søket etter mørk materie
De XENON-samarbeid forskerteamet gjorde det med et instrument bygget for å finne den mest unnvikende partikkelen i universet – mørk materie. I en artikkel publisert i tidsskriftet Nature kunngjorde forskere at de har observert det radioaktive forfallet av xenon-124, som har en halveringstid på 1,8 X 10^22 år, eller en halveringstid på 18 sekstillioner år, som er en billioner ganger lengre enn universets alder.
XENON Collaboration driver XENON1T, et 1300-kilos kar med superrent flytende xenon skjermet fra kosmiske stråler i en kryostat nedsenket i dypt vann og plassert 1500 meter under Gran Sasso-fjellene i Italia. Forskerne søker etter mørk materie ved å registrere små lysglimt som skapes når partikler samhandler med xenon inne i detektoren. Og mens XENON1T ble bygget for å fange interaksjonen mellom en mørk materiepartikkel og kjernen til et xenonatom, fanger detektoren faktisk opp signaler fra alle interaksjoner med xenonet.
Kan mørk materie være en kilde til lys i universet?
Elektronfangst
Mange grunnstoffer gjennomgår en type forfall som kalles elektronfangst, der et elektron kombineres med et proton i kjernen, som produserer et nøytron. Men for et xenonatom må to protoner hver absorbere et elektron nesten samtidig for å konvertere til to nøytroner, en hendelse som kalles “dobbeltelektronfangst.”
Dobbelelektronfangst skjer bare når to av elektronene er rett ved siden av kjernen til akkurat rett tid, sa Brown, som er “en sjelden ting multiplisert med en annen sjelden ting, noe som gjør den ultrasjelden.”
Da det ultra-sjeldne skjedde, og en dobbeltelektronfangst skjedde inne i detektoren, fanget instrumenter opp signalet fra elektroner i atomet som omorganiserte seg for å fylle ut de to som ble absorbert i kjernen.
Elektroner i Double-Capture
“Elektroner i dobbeltfangst fjernes fra det innerste skallet rundt kjernen, og det skaper rom i det skallet,” sa Brown. “De gjenværende elektronene kollapser til grunntilstanden, og vi så denne kollapsprosessen i detektoren vår.”
Når det å oppdage det nesten umulige blir sannsynlig
Prestasjonen er første gang forskere har målt halveringstiden til denne xenon-isotopen basert på en direkte observasjon av dens radioaktive forfall. Med 6 X 10^27 xenonatomer i beholderen, som hver forfaller med samme halveringstid på 1,8 X 10^22 år, blir det sannsynlig å oppdage det nesten umulige.
Mørk materie – “Kan være eldre enn Big Bang”
“Dette er et fascinerende funn som fremmer grensene for kunnskap om de mest grunnleggende egenskapene til materie,” sa Curt Breneman, dekan ved Vitenskapsskolen. «Dr. Browns arbeid med å kalibrere detektoren og sikre at xenonet skrubbes til høyest mulig renhetsstandard var avgjørende for å gjøre denne viktige observasjonen.”
Lever vi i en boble av mørk materie? – Ugjenkjennelig lysspekter kan avsløre “Ja”
XENON-samarbeidet
XENON-samarbeidet inkluderer mer enn 160 forskere fra Europa, USA og Midtøsten, og har siden 2002 drevet tre suksessivt mer følsomme flytende xenon-detektorer i Gran Sasso National Laboratory i Italia. XENON1T, den største detektoren av sin type som noen gang er bygget, innhentet data fra 2016 til desember 2018, da den ble slått av. Forskere oppgraderer for tiden eksperimentet for den nye XENONnT-fasen, som vil ha en aktiv detektormasse som er tre ganger større enn XENON1T. Sammen med et redusert bakgrunnsnivå vil dette øke detektorens følsomhet med en størrelsesorden.
Bildekreditt: hjertet av galaksehopen Abell 3827 er vist øverst på siden, der mørk materie linser bakgrunnsgalakser til buer og speilvendte, skjeve strukturer. (Nasa/ESA/Richard Massey)
Maxwell Moeastrofysiker, NASA Einstein-stipendiatUniversity of Arizona via Rensselaer polytekniske institutt
Kuratert av Daily Galaxy-redaksjonen
Galaxy Report-nyhetsbrevet gir deg to ganger ukentlig nyheter om rom og vitenskap som har kapasitet til å gi ledetråder til mysteriet om vår eksistens og legge til et sårt tiltrengt kosmisk perspektiv i vår nåværende antropocene epoke.
Ja, registrer meg for mitt gratis abonnement.
Nylige Galaxy-rapporter:
Umiskjennelig signal om fremmedliv til hva som skjer hvis Kina tar første kontakt?
Ledetråder til Alien Life to A Galaxy 100 x størrelsen på Melkeveien
Sprekker i Einsteins teori om tyngdekraft til kolossal sjokkbølge større enn Melkeveien
Monsterkomet som ankommer fra Oort-skyen til Black Hole Apocalypse
Enigmas av Stephen Hawkings Blackboard til hvorfor universet og livet eksisterer
Einsteins kritikere til NASA-teologer forbereder seg på fremmedkontakt
Mind-Bending ny multiverse teori til mørk materie asteroider av Melkeveien
Mystiske ekspanderende områder av mørk materie til å være svarte hull-hologrammer
Maxwell Moe, astrofysiker, NASA Einstein Fellow, University of Arizona. Max kan bli funnet to netter i uken og utforske universets mysterier ved Kitt Peak National Observatory. Max fikk sin doktorgrad i astronomi fra Harvard University i 2015.