Ксенон-124 нестабилен, и прямое обнаружение его распада может привести нас к еще большему выигрышу.
Наша Вселенная стара: если быть точным, 13,8 миллиарда лет. Многие из химических элементов, которые кажутся стабильными в короткие промежутки времени, окажутся фундаментально нестабильными, распадаясь на другие элементы, если мы будем ждать достаточно долго. Хотя многие из этих распадов легко наблюдать, некоторые элементы и изотопы настолько долгоживущие, что период их полураспада превышает возраст Вселенной.
Коллаборация XENON только что публично объявила об открытии того, что ксенон-124, изотоп элемента ксенона, фундаментально нестабилен. Его период полураспада составляет колоссальные 1,8 × 10²² лет: более чем в триллион раз превышает нынешний возраст Вселенной. Это самый длинный период полураспада, который человечество когда-либо измеряло напрямую, и его последствия для природы реальности не могут быть более глубокими.
Каждая мыслимая комбинация протонов и нейтронов представляет собой возможный изотоп элемента в периодической таблице. Некоторые из этих комбинаций абсолютно стабильны, например углерод-12, который имеет шесть протонов и шесть нейтронов. Даже если вы ждали сколь угодно долго, имеющиеся данные показывают, что ядро углерода-12 никогда не распадется.
Но различные комбинации нестабильны и спонтанно либо испускают, либо захватывают одну или несколько частиц, превращаясь в процессе в другой элемент или изотоп. Углерод-14, например, содержит шесть протонов и восемь нейтронов. Если мы будем наблюдать за углеродом-14 достаточно долго, мы обнаружим, что он нестабилен: он радиоактивно распадется на азот-14, испуская при этом электрон и антинейтрино.
Тем из нас, кто узнал о радиоактивности до 2003 года, нас учили, что каждый элемент, содержащий больше протонов, чем висмут (83), принципиально нестабилен. Для таких элементов, как радий, торий, радон, уран и плутоний, каждый из их изотопов подвергается радиоактивному распаду.
В 2003 году, однако, мир узнал правду о висмуте: он тоже принципиально нестабилен. Есть один изотоп висмута, содержащий 83 протона и 127 нейтронов, который ранее считался стабильным. Но в масштабах времени 1,9 × 10¹⁹ лет он тоже подвергнется радиоактивному распаду, испустив ядро гелия и превратившись в таллий (элемент, предшествующий свинцу). Если ваша периодическая таблица новее этого открытия, это означает, что свинец - с 82 протонами - является самым тяжелым стабильным элементом.
Звучит как странное предложение: измерить процесс, который происходит дольше, чем возраст Вселенной. Один атом висмута будет существовать в среднем более чем в миллиард раз дольше, чем существует Вселенная.
Но мы не измеряем радиоактивность, наблюдая за отдельным атомом; мы берем огромные коллекции атомов и ищем какие-либо характерные признаки того, что хотя бы один из них распадается. Если бы у нас был моль (6,022 × 10²³) атомов висмута, даже с их невероятно долгим периодом полураспада (количеством времени, которое требуется для распада половины атомов), мы бы видели, как десятки тысяч из них распадаются с каждым разом. год, который проходит.
Есть два чрезвычайно распространенных способа возникновения радиоактивного распада:
- альфа-распад, при котором атомное ядро испускает альфа-частицу (ядро гелия), содержащую два протона и два нейтрона, образуя новое ядро, которое находится на два элемента раньше в периодической таблице,
- или бета-распад, когда атомное ядро испускает электрон и антинейтрино, превращая один из своих нейтронов в протон в процессе, создавая новое ядро, которое находится на один элемент выше в периодической таблице.
Углерод-14 распадается через бета-распад; уран-238 распадается через альфа-распад. Пока совокупная масса продуктов распада легче исходного атомного ядра, возможен радиоактивный распад.
Но есть еще более редкие виды распадов, и их можно увидеть, когда наиболее распространенные пути распада либо подавлены, либо запрещены. Некоторые ядра подвергаются обратному бета-распаду: преобразование протона в нейтрон путем испускания позитрона (аналог электрона из антивещества) и нейтрино, опуская один элемент в таблице Менделеева. Другие ядра падают на один элемент, захватывая один из самых внутренних электронов, вращающихся вокруг него, превращая протон в нейтрон и вызывая испускание нейтрино.
Из-за тонкой разницы между нечетно заряженными и равномерно заряженными ядрами иногда может происходить двойной бета-распад там, где нормальный бета-распад невозможен, что приводит к испусканию двух электронов и двух антинейтрино. И в самом редком из известных типов распада мы можем иметь двойной захват электрона: когда два электрона одновременно захватываются атомным ядром.
До сих пор было показано, что только два известных в природе изотопа - криптон-78 и барий-130 - трансмутируют посредством двойного электронного захвата. В обоих случаях нельзя обнаружить ни два испускаемых нейтрино, ни малейшую отдачу ядра. Вместо этого мы можем обнаружить эффекты электронов, которые падают каскадом вниз в энергии. Когда электроны переходят на более низкие энергетические уровни, чтобы заполнить промежутки, образовавшиеся в результате более раннего захвата электронов, они испускают рентгеновские лучи, а также заставляют окружающие электроны становиться свободными и несвязанными.
Вот тут-то и пригодится сверхчувствительный детектор. Вы хотите иметь возможность обнаруживать рентгеновские лучи в точном месте их создания, а также наблюдать, как дрейфуют только что освободившиеся электроны. когда вы применяете внешнее поле. Благодаря обнаружению обеих вторичных сигнатур, что возможно только в необычайно чистой среде, мы можем восстановить то, что произошло внутри детектора, а также где и когда.
Коллаборация XENON обладает именно тем типом среды, которая должна быть чувствительна к таким редким процессам, как эти. Коллаборация XENON, разработанная для выявления сигнатур любой частицы темной материи, которая может пройти через детектор и столкнуться с ядром ксенона, наложила одни из самых жестких ограничений на сечения взаимодействия темной материи с нормальной материей в истории. Для того, чтобы искать эти обнаружения, они должны понять и устранить свое прошлое в превосходной, никогда ранее не достигаемой манере.
По словам постдока Лауры Маненти, члена отдела по связям с общественностью XENON:
это показывает, насколько низок фон нашего детектора, что означает, что у нас есть возможность создать технологию, способную найти неуловимую темную материю.
Ну, XENON еще не нашел темную материю, но нашел нечто замечательное.
Видите ли, принцип работы детектора XENON заключается в размещении большого количества ксенона - инертного, невзаимодействующего газа, ядро которого имеет 54 протона - внутри одного из самых хорошо экранированных, сложных в мире детекторы. Хотя он называется детектором XENON1T, на самом деле внутри находится 3 200 кг ксенона. Могут быть обнаружены многие из наиболее чувствительных взаимодействий ксенона, в том числе возможность обнаружения процессов и распадов, которые никогда раньше не наблюдались. Однако конечной целью этого поиска является обнаружение присутствия (или ограничение свойств) темной материи.
Ксенон, естественно, состоит не из одного, а из девяти различных изотопов, причем самым легким из них является ксенон-124 (с 70 нейтронами), а самым тяжелым является долгоживущий, но нестабильный ксенон-136, который подвергается двойному бета-распад примерно через 2 × 10²¹ лет. Из восьми других изотопов всегда наблюдалось, что они стабильны, но теоретически ожидается, что три из них будут подвергаться двойному захвату электронов. Это просто никогда не наблюдалось.
До, то есть до последнего запуска эксперимента! С 2016 по 2018 год коллаборация XENON отслеживала и собирала наблюдения за всем, что происходило внутри детектора. Одним из неожиданных сигналов, которые они обнаружили, были рентгеновские лучи, испускаемые из определенной точки, за которыми следовали свободные электроны, дрейфующие вверх и вызывающие срабатывание детектора с небольшой задержкой. Всего этому процессу соответствует 126 событий, энергия которых соответствует теоретическим предсказаниям двойного электронного захвата одного из изотопов ксенона: ксенона-124.
Благодаря статье, принятой престижным журналом Nature (будет опубликована 25 апреля), коллаборация XENON побила рекорд по измерению самого долгоживущего распада в истории. С периодом полураспада 1,8 × 10²² лет процесс двойного захвата электронов ксенона-124 показал невероятную чувствительность детектора и продемонстрировал важность выхода за известные границы науки.
Это также свидетельство вклада участников сотрудничества, которые добавляют широкий спектр навыков и специальностей. «Наблюдение за таким редким процессом было бы невозможно без совместной работы анализаторов, а также людей, которые построили и управляли детектором», - говорит ученый Кристиан Виттвег, соавтор статьи об открытии. «Это большая совместная работа!»
Каждый раз, когда вы проводите эксперимент, который может вывести вас за пределы ваших прежних пределов чувствительности, вы открываете себя для возможности открытия. Надежно обнаружив этот необычайно редкий распад с более длительным временем жизни, чем любой другой, который мы когда-либо видели, коллаборация XENON продемонстрировала, насколько эффективен их аппарат. Хотя он был разработан для поиска темной материи, он также чувствителен к ряду других возможностей, которые могут предвещать редкую или даже совершенно новую физику.
Хотя прямое обнаружение самого долгоживущего нестабильного распада является невероятным достижением, его последствия выходят далеко за рамки простого открытия. Это демонстрация чувствительности XENON и его способности выделять даже слабый сигнал на хорошо понятном фоне с малой амплитудой. Это дает нам все основания надеяться, что, если природа будет добра, КСЕНОН может раскрыть некоторые из ее еще более глубоких тайн.
Имея за плечами редчайший распад двойного электронного захвата, коллаборация XENON теперь рассматривает другие возможности, такие как безнейтринный двойной электронный захват или безнейтринный двойной бета-распад, которые могут произойти, если нейтрино некоторые особые свойства, которые делают его собственной античастицей: майорановский фермион.
Детектор XENON в настоящее время модернизируется до еще большей точности, где, возможно, будут обнаружены новые распады и свойства природы. Будут ли обнаружены другие изотопы ксенона с двойным электронным захватом? Проявится ли безнейтринный двойной электронный захват или безнейтринный двойной бета-распад? Будут ли наконец обнаружены прямые признаки темной материи?
С этим последним открытием есть все основания полагать, что какими бы ни были естественные истины нашей реальности, сотрудничество с XENON поможет раскрыть их.
Автор считает природу и ученого Лауру Маненти важными источниками информации, использованными при составлении этой истории.