Popüler Bilim: Bu fiziksel süreçle karşılaştırıldığında, evrenin yaşı yalnızca bir anlık
Gran Sasso Ulusal Laboratuvarı yerin 1400 metre altında yer almaktadır. | Resim kaynağı: Sandbox Studio / Symmetry Magazine
Gran Sasso Dağı'nın altında, İtalya, Roma'dan yaklaşık 120 kilometre uzakta, gezegendeki en büyük yer altı laboratuvarıdır. Yıllardır, radyoaktif parazitlerden korunan bu hava geçirmez laboratuvarda, bilim adamları evrendeki en gizemli hayali parçacığı arıyorlar WIMP'ler , Bu en umut verici Karanlık madde Aday parçacıklardan biri. Bilim adamlarının WIMP'leri yakalamak için kullandıkları araçlar XENON1T dedektörü Bu dedektörün orta kısmı, eksi 95 santigrat dereceye kadar soğutulmuş 3 tondan fazla sıvı ksenon ile doldurulmuş yaklaşık 1 metre uzunluğunda silindirik bir tank içerir.
Sıvı ksenonda (mavi), parçacıklar arasındaki herhangi bir etkileşim iki sinyal üretecektir: biri anlık bir ışık parlaması, diğeri ise gecikmiş bir şarj sinyalidir. Bu iki sinyalin kombinasyonu, etkileşimin enerjisini ve konumunu ve etkileşime giren parçacığın türünü verir. | Resim kaynağı: XENON işbirliği / Rafael Lang
Şimdiye kadar, araştırmacılar Asla Bu detektörde herhangi bir karanlık madde parçacığı bulundu. Ama şaşırtıcı bir şekilde Xenon-124'ün bozunması ilk kez başarıyla tespit edildi .
Ksenon-124, çekirdeği 54 pozitif yüklü proton ve 70 nötr nötron içeren bir izotoptur Çekirdek, negatif yüklü elektronlarla dolu bir elektron kabuğu ile çevrilidir. Çoğu ksenon izotopunun yarılanma ömrü 12 günden az olmasına rağmen, çok uzun ömürlü olduğu düşünülen birkaç izotop da vardır.Xenon-124 bunlardan biridir.
Hepimiz evrenin yaşının yaklaşık 13,8 milyar yıl olduğunu biliyoruz. İnsan standartlarına göre ölçülürse, bu süre inanılmazdır. Ama bu sefer bilim adamları ölçtü Xenon-124'ün yarı ömrü, evrenin yaşının bir trilyon katından fazladır !
Yarılanma ömrünün Değil Bu, her atomun çürümesinin bu kadar uzun sürdüğü anlamına gelir. Bu rakam, yalnızca bir radyoaktif maddenin yarısının çürümesinin ortalama ne kadar sürdüğünü gösterir. Bununla birlikte, yeterli ksenon atomu toplanmadığı ve "dünyadaki en az radyoaktif yere" yerleştirilmediği sürece, ksenon-124 gibi bozunma olaylarını tespit etme olasılığı hala çok zayıftır ve XENON1T bu kadar ideal. Zemin.
Radyoizotop bozunmasının iki yaygın yolu vardır: alfa bozunması (Çekirdek bir alfa parçacığı, yani bir helyum çekirdeği yayar) ve beta bozunması (Çekirdek, nötronlarından birini protona dönüştürme sürecinde bir elektron ve bir antinötrino yayar). Ek olarak, adı verilen başka bir çürüme türü daha vardır. Elektron yakalama : Çekirdek, etrafındaki iç yörüngede bir elektron yakalayacak, çekirdekteki bir protonu bir nötron haline getirecek ve bir nötrino salacak.
İyot-124'ün çekirdeği, çevreleyen elektron kabuğundan bir elektron yakalar, protonlardan birini bir nötron haline getirir ve bir nötrino salgılar.
Normalde çekirdeğe bir elektron girer ve bir nötrino dışarı çıkar. Nötrinoların, çekirdek tarafından kaybedilen kütle tarafından belirlenen belirli bir enerjisi vardır. Nükleer parçacık fiziğinde sıklıkla gördüğümüz bu süreç iyi anlaşılmıştır. Ancak bazı durumlarda son derece nadir bozulmalar meydana gelir: Çift nötrino çift elektron yakalama (Bundan sonra 2ECEC ).
Enerjinin korunumu yasasına göre, xenon-124 elektron yakalama yoluyla bozunamaz. Bununla birlikte, çift nötrinolar ve çift elektronlar tarafından yakalanabilir ve çok uzun bir yarı ömre sahip bir tellür-124 atomuna bozunabilir.
2ECEC işleminde çekirdek, çevreleyen elektron kabuklarından iki elektron yakalar, iki protonu aynı anda iki nötron haline dönüştürür ve iki nötrino salar. Bu süreç, çekirdeği doğrudan iki daha az proton ve iki daha fazla nötron içeren bir atom çekirdeğine dönüştüren iki eşzamanlı elektron yakalama bozunması olarak görülebilir. Elektronlar hapsolduğu için elektron kabuğunda delikler kalır. Diğer elektronlar, boşlukları doldurmak için kendilerini yeniden düzenleyecekler. Bu süreçte açığa çıkan enerji Röntgen Ve sözde Auger Elektroniği Çekirdekte 2ECEC'in doğrudan gözlemlenmesinin yolunu açan onu götürün.
2ECEC sürecinden gelen X-ışınları ilk ışık sinyallerini ve serbest elektronları üretecektir. Bu elektronlar dedektörün üst kısmına hareket edecek ve ikinci bir sinyal üretecektir. Bu iki sinyalin yön ve zaman farkına göre, 2ECEC'in tam konumu ve bozulma sırasında açığa çıkan enerji yeniden oluşturulabilir. Araştırmacılar, son iki yılda gözlemlenen 126 sürece göre hesapladı, Xenon-124 atomunun yarı ömrü 1,8 × 10²² yıla kadardır . Bu, insanlar tarafından tespit edilen en yavaş süreçtir. Bu başarı, diğer çekirdeklerdeki nadir bozulmaları tespit etmek için tasarlanmış deneylerin temelini attı.
Teorisyenler, çekirdeğin iç fiziğini açıklayan teorik modelleri test etmek için yeni ölçülen yarı ömrü kullanabilir. Bu modeller, fizikçilerin gözlemlemek için deneyler tasarlamasına yardımcı olabilir. Nötrinosuz iki elektronlu yakalama . Bu süreç sadece Nötrinolar kendi antiparçacıklarıdır Sadece ne zaman olur ve bu modern parçacık fiziğinin en başarılı teorisidir - Standart Modelin tahmin etmediği şeyi. Nötrinoların ikili kimlikleri belirlenebilirse, fizikçiler evrendeki en büyük gizemlerden birini çözebilirler: Evren neden antimaddeden değil maddeden yapılmıştır? (Ayrıntılar için bkz: "Yeni Bir Dönüm Noktasında Parçacık Fiziği Usher") Ayrıca, nötrino içermeyen iki elektron yakalamanın tespiti de nötrinoların mutlak kütlesi hakkında önemli bilgiler sağlayacaktır.
Şu anda, XENON dedektörü yükseltiliyor ve gelecekte daha fazla sürpriz bekliyoruz.
