Детектор тёмной материи обнаружил самое редкое событие, когда-либо наблюдавшееся наукой

Детектор, предназначенный для поиска тёмной материи, обнаружил невероятно редкий радиоактивный распад.

Детектор, предназначенный для поиска тёмной материи, обнаружил невероятно редкий радиоактивный распад.
Фото Xenon Collaboration.

Чувствительная часть детектора максимально изолирована от внешних воздействий.

Чувствительная часть детектора максимально изолирована от внешних воздействий.
Фото Xenon Collaboration.

Детектор, предназначенный для поиска тёмной материи, обнаружил невероятно редкий радиоактивный распад.
Чувствительная часть детектора максимально изолирована от внешних воздействий.

С помощью детектора тёмной материи физики обнаружили радиоактивный распад ядра, среднее время ожидания которого в триллион раз превышает возраст Вселенной. Авторы открытия называют это событие самым редким из когда-либо наблюдавшихся наукой.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature коллаборацией XENON.

"Мы на самом деле видели, как этот распад произошёл. Это самый долгий и самый медленный процесс, который когда-либо наблюдался непосредственно, и наш детектор тёмной материи оказался достаточно чувствительным, чтобы его зафиксировать, – говорит соавтор исследования Итан Браун (Ethan Brown) из Политехнического института Ренсселера в США. – Удивительно наблюдать за этим процессом, и это [открытие] говорит о том, что наш детектор может зафиксировать самое редкое [событие] из когда-либо зарегистрированных".

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о детекторе XENON1T. Напомним, что его чувствительная часть представляет собой сосуд с 3200 килограммами жидкого ксенона. Он находится в "холодильнике", погружённом в воду. Вся конструкция располагается на глубине 1500 метров под горным массивом Гран-Сассо-д’Италия.

Идея состоит в том, чтобы предельно изолировать детектор от космических лучей и других потоков частиц. Тогда ядрам атомов ксенона будет практически не с чем вступать в реакции. Не с чем, кроме таинственной и вездесущей тёмной материи, которая, возможно, иногда всё-таки взаимодействует с обычным веществом, в том числе и с ксеноном.

Обнаружить тёмную материю детектору не удалось. Однако на этот раз он принёс физикам другой впечатляющий результат. Аппаратура зафиксировала распад ядра ксенона-124.

Чувствительная часть детектора максимально изолирована от внешних воздействий.

Этот процесс относится к самому медленному из всех известных типов радиоактивного распада. Чтобы он произошёл, нужно, чтобы два протона в ядре одновременно захватили по электрону из электронной оболочки атома и превратились в нейтроны.

Даже один электрон крайне редко оказывается "в нужное время в нужном месте" и бывает захвачен ядром. Почти невозможно, чтобы два таких события произошли одновременно. Поэтому среднее время жизни ядра при этом типе распада очень велико. Для ксенона-124 оно составляет порядка 1022 лет, что в триллион раз превышает возраст Вселенной (порядка десяти миллиардов лет).

К счастью для физиков, среднее время жизни – именно среднее. Всегда можно надеяться, что в большой массе вещества найдётся ядро, которое распадётся быстрее.

В этот раз физикам повезло. Ядро ксенона захватило два электрона и превратилось в ядро теллура. Оставшиеся электроны стремительно перестроились, чтобы занять освободившиеся энергетически выгодные места поблизости от ядра. При этом они испускали фотоны (как всегда бывает, когда электрон переходит с верхнего энергетического уровня на нижний). Это излучение и зафиксировали датчики.

Статистическая достоверность результата составляет 4,4 сигма. Это значит, что он наверняка является истинным, а не случайной комбинацией шумов.

До сих пор распад подобного типа наблюдался только для двух изотопов: криптона-78 и бария-130. Однако для ксенона-124 среднее время жизни ядра значительно больше, так что это действительно рекорд.

Разумеется, наука не спорт, и физиков не интересуют рекорды ради рекордов. С нынешним открытием учёные получили прямые данные о времени жизни ядра при этом редком типе распада. Оно важно для понимания внутреннего устройства ядер.

Возможно, эти данные позволят обнаружить ещё более редкий и пока ещё гипотетический процесс – двойной безнейтринный распад. А уж он, в свою очередь, может подсказать, почему материя, из которой мы состоим, не была уничтожена антивеществом на заре существования Вселенной.

Напомним, что детектор XENON1T был запущен в 2016 году и остановлен в декабре 2018 года. Своей основной цели – обнаружения тёмной материи – он не достиг. Сейчас учёные готовятся к запуску новой фазы эксперимента – XENONnT. В этой установке масса ксенона будет втрое больше, а защита от посторонних воздействий ещё лучше, чем у XENON1T. В результате чувствительность детектора повысится примерно в десять раз. И тогда он, возможно, всё-таки зафиксирует загадочную тёмную материю.

К слову, ранее "Вести.Наука" рассказывали о новом методе изучения процессов внутри атомного ядра и об измерении давления внутри протона.