Многие события и явления не только в космосе, но и на Земле представляют для ученых огромный интерес. И чем уникальнее объект, тем сложнее изучить его свойства. К примеру, для открытия бозона Хиггса пришлось использовать Большой Адронный коллайдер. Но герой этого материала не столь масштабен для научной среды, но в то же время считается очень интересным. Разберем то, как физики измерили самое редкое наблюдаемое напрямую событие и почему это важно для ученых.
Период полураспада больше возраста Вселенной в триллион раз
Недавно ученые объявили, что они сделали невероятные физические наблюдения. Им удалось провести исследования над емкостью с жидким ксеноном. Официально он имеет самый редкий ядерный распад — примерно 18 секстиллионов лет. Это почти в 1 триллион раз больше, чем возраст Вселенной.
Исследователи, работающие в эксперименте с детектором XENON1T, объявили, что они сделали наблюдение за своего рода ядерным распадом, называемым двухнейтринным двойным электронным захватом. Пара протонов в ядре атома самопроизвольно поглощает один из электронов. Это приводит к выпуску пары нейтрино и рентгеновских лучей.
Физики теоретически описывали существование такого ядерного распада, начиная с 1955 года. Их интерес состоял в том, что изучение данного вопроса позволит достичь других физических результатов. Например, иное событие, захват электронов без нейтрино, может раскрыть глубокие истины о природе таинственного нейтрино. Это вторая по распространенности частица во Вселенной.
Как удалось измерить такое редкое событие?
Еще раз: период полураспада атома ксенона составляет 1.8*(10 в степени 22). Но как можно измерить такое редкое событие? Казалось бы, пришлось бы ждать, пока все звезды сгорят. Но периоды полураспада работают не так напрямую. Если у вас есть несколько атомов, то период полураспада — это количество времени, необходимое половине атомов, чтобы пройти ядерный распад. И чем больше у вас вещества (т.е. атомов), тем больше вероятность увидеть ядерный распад.
Заполненная ксеноном газоразрядная трубка
Эксперимент с XENON1T включает в себя 3500 килограммов жидкого ксенона, находящегося глубоко под землей в итальянских горах. Это позволяет избежать любых радиоактивных помех, которые могут испортить измерения. Фактически из всей этой массы изучается только 1500 кг. При этом вещество охлаждено до температуры -95 градусов Цельсия. Основная цель исследования — измерение частицы темной материи, взаимодействующей с атомами. Пока этого достичь не удалось.
Для исследования использовался ксенон-124. В его составе число протонов и нейтронов в ядре равно 124, а общее число атомов — 10 в степени 25. И если для распада половины атомов ксенона потребуется около 18 секстиллионов лет, то через год распадется около сотни элементов. За 2 года было выявлено 126 событий двойного захвата электронов с двумя нейтрино в ванне с жидким ксеноном.
Итоги работы
Это самый редкий распад, когда-либо измеренный напрямую. Хотя ранее ученые знали о косвенных доказательствах других ядерных распадов с еще более длительным периодом. Для дальнейших экспериментов понадобится еще больше активного вещества. Ведь безнейтринный двойной бета-распад и безнейтринный двойной электронный захват могут иметь более длительные периоды полураспада.
Ксеноновая лампа-вспышка
Возможно, однажды детектор, подобный XENON1T, позволит обнаружить темную материю. И эксперименты с ксеноном могут сильно способствовать дальнейшему развитию в этом вопросе. Проект XENON1T был закрыт в декабре 2018 года для запланированного обновления. Новая версия экспериментов получит название XENONnT. В этот раз детектор будет в 2 раза больше и в нем будет еще большего жидкого ксенона. Это сделает его еще более чувствительным к редким событиям.