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

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

Фото Xenon Collaboration.

Чувствительная часть детектора максимально изолирована от внешних воздействий.

Фото Xenon Collaboration.

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 1300 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.
Чувствительная часть детектора максимально изолирована от внешних воздействий.
Фото Xenon Collaboration.

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.