Como você observa um processo que leva mais de um trilhão de vezes mais do que a idade do universo? A equipe de pesquisa da Colaboração XENON fez isso com um instrumento construído para encontrar a partícula mais evasiva do universo - matéria escura. Em artigo a ser publicado amanhã na revista Natureza , pesquisadores anunciam que observaram a decadência radioativa do xenônio-124, que tem meia-vida de 1,8 x 10 ²² anos.

"Na verdade, vimos essa decadência acontecer. É a mais longa, processo mais lento que já foi observado diretamente, e nosso detector de matéria escura era sensível o suficiente para medi-lo, "disse Ethan Brown, um professor assistente de física na Rensselaer, e coautor do estudo. "É incrível ter testemunhado esse processo, e diz que nosso detector pode medir a coisa mais rara já registrada. "

A Colaboração XENON executa o XENON1T, a 1, Um tanque de 300 quilogramas de xenônio líquido super puro protegido dos raios cósmicos em um criostato submerso em águas profundas 1, 500 metros abaixo das montanhas Gran Sasso da Itália. Os pesquisadores procuram por matéria escura (que é cinco vezes mais abundante que matéria comum, mas raramente interage com a matéria comum) registrando minúsculos flashes de luz criados quando as partículas interagem com o xenônio dentro do detector. E enquanto o XENON1T foi construído para capturar a interação entre uma partícula de matéria escura e o núcleo de um átomo de xenônio, o detector realmente capta sinais de qualquer interação com o xenônio.

A evidência do decaimento do xenônio foi produzida como um próton dentro do núcleo de um átomo de xenônio convertido em um nêutron. Na maioria dos elementos sujeitos à degradação, isso acontece quando um elétron é puxado para o núcleo. Mas um próton em um átomo de xenônio deve absorver dois elétrons para se converter em um nêutron, um evento denominado "captura de elétrons duplos".

A captura de elétrons duplos só acontece quando dois dos elétrons estão bem próximos ao núcleo no momento certo, Brown disse, que é "uma coisa rara multiplicada por outra coisa rara, tornando-o ultra-raro. "

Quando o ultra-raro aconteceu, e uma captura de elétron duplo ocorreu dentro do detector, os instrumentos captaram o sinal dos elétrons no átomo, reorganizando-os para preencher os dois que foram absorvidos pelo núcleo.

"Elétrons em dupla captura são removidos da camada mais interna ao redor do núcleo, e isso cria espaço nessa concha, "disse Brown." Os elétrons restantes entram em colapso para o estado fundamental, e vimos esse processo de colapso em nosso detector. "

A conquista é a primeira vez que os cientistas medem a meia-vida desse isótopo de xenônio com base em uma observação direta de seu decaimento radioativo.

“Esta é uma descoberta fascinante que avança as fronteiras do conhecimento sobre as características mais fundamentais da matéria, "disse Curt Breneman, reitor da Escola de Ciências. "O trabalho do Dr. Brown em calibrar o detector e garantir que o xenônio seja esfregado com o mais alto padrão de pureza possível foi fundamental para fazer essa observação importante."

A Colaboração XENON inclui mais de 160 cientistas da Europa, os Estados Unidos, e no Oriente Médio, e, desde 2002, operou três detectores de xenônio líquido sucessivamente mais sensíveis no Laboratório Nacional Gran Sasso, na Itália. XENON1T, o maior detector desse tipo já construído, dados adquiridos de 2016 até dezembro de 2018, quando foi desligado. Os cientistas estão atualmente atualizando o experimento para a nova fase do XENONnT, que apresentará um detector ativo de massa três vezes maior do que o XENON1T. Junto com um nível de fundo reduzido, isso aumentará a sensibilidade do detector em uma ordem de magnitude.