Представьте себе, что нужно сделать для того, чтобы можно было наблюдать за явлением, которое длится в триллион раз дольше, чем нынешний возраст Вселенной? Однако, зарегистрировать столь редкое явление удалось исследовательской группе эксперимента XENON, в котором используется высокочувствительный датчик, предназначенный, в первую очередь, для поисков неуловимых частиц темной материи. Этим редким явлением является радиоактивный распад ксенона-124, одного из изотопов стабильного элемента, период полураспада которого составляет 1.8 х 10^22 лет.
“Нам фактически удалось зарегистрировать случай такого распада. Это – самый долгий и самый медленный процесс среди всех, за которыми доводилось наблюдать за все время существования человечества. Наш датчик темной материи достаточно чувствителен для того, чтобы измерить все параметры процесса, что позволило нам избежать ошибок любого рода” – рассказывает Этан Браун (Ethan Brown), один из исследователей, – “Регистрация такого явления – это удивительное событие, и это говорит нам, что датчик XENON способен уловить и другие подобные редкие и загадочные вещи”.
Напомним нашим читателям, что в основе датчика эксперимента XENON находится емкость, заполненная 1300 килограммами сверхчистого жидкого ксенона, который находится на глубине 1500 метров под горой Gran Sasso в Италии для защиты от космических лучей и прочего излучения. Датчик производит запись редких вспышек света, которые возникают при взаимодействии высокоэнергетических частиц с ядрами атомов ксенона. Несмотря на то, что датчик XENON-1T был изначально построен для поисков частиц темной материи, он воспринимает сигналы от любых частиц, которые попадают в его рабочую область.
Атом ксенона-124 распадается весьма экзотическим способом. Перед моментом распада один из протонов в ядре атома превращается в нейтрон, в других подобных случаях для такого преобразования требуется поглощение ядром атома одного электрона извне. Но в данном случае, который получил название “двойной электронный захват”, ядро атома ксенона захватывает извне сразу два электрона.
Двойной электронный захват происходит лишь тогда, когда для этого складываются подходящие условия – два электрона находятся в нужное время в определенном положении относительно ядра атома. Вероятность такого совпадения условий крайне мала и она определяет редкость распада атома путем двойного электронного распада.
Ученым эксперимента XENON повезло в том, что во время проведения наблюдений в недрах датчика произошел столь редкий случай распада ксенона-124 и научные инструменты зарегистрировали сигнал о пропаже двух электронов, принявших участие в “реконструкции” ядра атома. “В данном случае захватываются электроны, располагающиеся на ближнем к ядру слое. Это создает внутри атома пустое пространство” – рассказывает Этан Браун, – “Остальные электроны стремятся перейти в самое низкоэнергетическое “стандартное” состояние, и именно это мы увидели в данных, полученных при помощи нашего датчика”.
Достижением в данном случае является то, что ученым впервые в истории удалось непосредственно измерить период полураспада изотопа ксенона при его непосредственном радиоактивном распаде. “Это событие раздвигает границы нашего понимания фундаментальных особенностей строения и поведения материи” – рассказывает Курт Бренемен (Curt Breneman), – “И данное достижение стало возможным лишь благодаря упорной работе ученых эксперимента XENON, которые провели самую тщательную калибровку оборудования и очистили ксенон в датчике до максимально возможной степени чистоты этого элемента”.
И в заключение отметим, что датчик XENON1T является сейчас самым большим и самым высокочувствительным датчиком с жидким ксеноном. Он является уже третьим из серии ксеноновых датчиков, построенных специалистами итальянской Национальной лаборатории Gran Sasso и 160 учеными из Европы, Соединенных Штатов и Ближнего Востока. Датчик XENON1T находился в работе с 2016 по 2018 год, сейчас он остановлен и на его месте монтируется очередной датчик, XENONnT, масса активного вещества в котором будет в три раза больше, чем у его предшественника. Это, в свою очередь, позволит снизить уровень шумов и, одновременно, существенно увеличить чувствительность самого датчика.