Un proces cu o viață medie de circa o mie de miliarde de ori mai mare decât vârsta Universului a fost măsurat de către experimentul XENON1T la laboratorul subteran de la Gran Sasso, în Italia.
Sub muntele Gran Sasso din Italia, la circa jumătatea tunelului care unește orașele L’Aquila și Teramo, își are intrarea laboratorul subteran al INFN – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Acolo, într-o liniște cosmică – adică în absența razelor cosmice, absorbite în mare parte de către munte – au loc experimente prin intermediul cărora cercetătorii scrutează Universul, în căutarea materiei întunecate.
Această materie ar fi de circa cinci ori mai răspândită în Univers decât materia normală, cea pe care o vedem (precum stelele și galaxiile). Materia întunecată exercită atracție gravitațională asupra materiei normale, însă la ora actuală nu știm din ce anume este alcătuită. Se bănuiește că ar fi compusă din particule pe care încă nu le-am descoperit, dar pe care cercetătorii le vânează cu ajutorul experimentelor subterane sau la acceleratoarele de particule din întreaga lume.
Printre aceste experimente, la un loc de cinste, se află XENON1T, realizat de o colaborare care include circa 160 de oameni de știință din întreaga lume. Acest experiment caută semnale ale interacțiunii particulelor de materie întunecată cu xenonul lichid. Xenonul devine lichid la -95 grade Celsius, având o densitate de circa trei ori mai mare decât cea a apei. Detectorul XENON1T are o formă cilindrică, cu un diametru de circa 1 metru și o înălțime tot de 1 metru. Dacă o particulă de materie întunecată ajunge în acest volum de xenon lichid, ea interacționează cu un nucleu de xenon, generând un semnal luminos (prin scintilație) și electroni, care la rândul lor produc semnale luminoase, măsurate cu ajutorul unor detectoare de lumină ultrasensibile.
CITIȚI ȘI: Descoperirea unei mari cantități de materie întunecată într-un loc neașteptat
Până în prezent experimentul nu a măsurat nicio particulă de materie întunecată, însă a reușit performanța de a măsura cel mai rar proces cunoscut până în prezent. Este vorba despre dubla captură de electroni a xenonului-124, un izotop al elementului xenon, adică o captură simultană a doi electroni de către doi protoni ai unui nucleu de xenon, cu transformarea acestora în doi neutroni. În acest proces se generează și doi neutrini. În urma acestei capturi, Xenonul-124 se transformă într-un nucleu de Telur-124.
Cei doi electroni sunt capturați simultan de către doi protoni din orbita cea mai apropiată de nucleul de xenon. În urma capturii se produce un proces de cascadă atomică, care readuce doi electroni pe orbita fundamentală a atomului de telur; în acest proces se emite o cantitate de energie bine cunoscută.
Viața medie a procesului de dublă captură electronică este de 1.22 x 1022 de ani, adică de circa o mie de miliarde de ori mai mare ca vârsta Universului, care de la Big Bang până în prezent are aproximativ 13.8 miliarde de ani. Un adevărat record!
Rezultatul acestui studiu a fost publicat pe 24 aprilie în prestigioasa revistă Nature, a cărei copertă ilustrează această măsurătoare deosebit de interesantă. El demonstrează sensibilitatea extremă a experimentului XENON1T, care este la ora actuală cel mai mare detector pentru măsurarea materiei întunecate, având o masă de circa doua tone de xenon și un fond (adică evenimente care provin de la radioactivitatea rocilor sau reziduuri de raze cosmice) extrem de mic.
Cercetătorii din cadrul colaborării lucrează acum la o îmbunătățire ulterioară a aparatului, la așa-numita versiune XENONnT, în cadrul căreia se va folosi o cantitate de trei ori mai mare de xenon lichid iar fondul va fi redus de două ori. Noua versiune a experimentului va fi gata să înceapă măsurătorile la sfârșitul lui 2019 și va avea o sensibilitate de aproximativ 10 ori mai mare decât XENON1T. XENONnT va continua să scruteze Universul, în căutarea materiei întunecate și a proceselor extrem de rare, precum cel al dublei capturi de electroni de către nucleul xenon-124.
