Hur observerar du en process som tar mer än en biljon gånger längre tid än universums ålder? XENON Collaboration -forskargruppen gjorde det med ett instrument byggt för att hitta den mest svårfångade partikeln i universum - mörk materia. I en tidning som ska publiceras imorgon i tidningen Natur , forskare meddelar att de har observerat det radioaktiva sönderfallet av xenon-124, som har en halveringstid på 1,8 X 10 ²² år.

"Vi såg faktiskt detta förfall hända. Det är det längsta, den långsammaste processen som någonsin har observerats direkt, och vår mörka materiedetektor var tillräckligt känslig för att mäta den, "sa Ethan Brown, en biträdande professor i fysik vid Rensselaer, och medförfattare till studien. "Det är fantastiskt att ha bevittnat denna process, och det står att vår detektor kan mäta det sällsynta som någonsin registrerats. "

XENON -samarbetet kör XENON1T, a 1, 300 kilos kärl med superren flytande xenon avskärmad från kosmiska strålar i en kryostat nedsänkt i vattendjup 1, 500 meter under Gran Sasso -bergen i Italien. Forskarna söker efter mörk materia (som är fem gånger rikligare än vanlig materia, men interagerar sällan med vanlig materia) genom att registrera små ljusglimtar som skapas när partiklar interagerar med xenon inuti detektorn. Och medan XENON1T byggdes för att fånga interaktionen mellan en partikel av mörk materia och kärnan i en xenonatom, detektorn tar faktiskt upp signaler från eventuella interaktioner med xenon.

Beviset för xenonförfall framställdes som en proton inuti kärnan i en xenonatom omvandlad till en neutron. I de flesta element som kan förfalla, det händer när en elektron dras in i kärnan. Men en proton i en xenonatom måste absorbera två elektroner för att omvandlas till en neutron, en händelse som kallas "dubbelelektronfångst".

Dubbelelektronfångst sker bara när två av elektronerna ligger precis intill kärnan vid precis rätt tidpunkt, Brown sa, som är "en sällsynt sak multiplicerad med en annan sällsynt sak, vilket gör det extremt sällsynt. "

När det extremt sällsynta hände, och en dubbelelektronfångst inträffade inuti detektorn, instrument tog upp signalen från elektroner i atomen som arrangerades för att fylla i de två som absorberades i kärnan.

"Elektroner i dubbelfångning avlägsnas från det innersta skalet runt kärnan, och det skapar plats i det skalet, "sa Brown." De återstående elektronerna kollapsar till marken, och vi såg denna kollapsprocess i vår detektor. "

Prestationen är första gången forskare har mätt halveringstiden för denna xenonisotop baserat på en direkt observation av dess radioaktiva sönderfall.

"Detta är ett fascinerande fynd som avancerar kunskapens gränser om materiens mest grundläggande egenskaper, "sa Curt Breneman, dekanus vid Science School. "Dr Browns arbete med att kalibrera detektorn och se till att xenonet skrubbas till högsta möjliga renhetsstandard var avgörande för att göra denna viktiga observation."

XENON -samarbetet omfattar mer än 160 forskare från Europa, Förenta staterna, och Mellanöstern, och, sedan 2002, har drivit tre successivt känsligare flytande xenondetektorer i Gran Sasso National Laboratory i Italien. XENON1T, den största detektorn i sitt slag som någonsin byggts, inhämtat data från 2016 till december 2018, när den stängdes av. Forskare uppgraderar för närvarande experimentet för den nya XENONnT -fasen, som kommer att ha en aktiv detektormassa tre gånger större än XENON1T. Tillsammans med en minskad bakgrundsnivå, detta kommer att öka detektorns känslighet med en storleksordning.