עמוק בתוך הר במרכז איטליה, מדענים מטילים מלכודת לחומר אפל. הפיתיון? מיכל מתכת גדול מלא 3.5 טון (3,200 קילוגרם) קסנון נוזלי טהור. גז אצילי זה הוא אחד החומרים הנקיים ביותר ועמידים בפני קרינה בכדור הארץ, מה שהופך אותו למטרה אידיאלית לכידת כמה מהאינטראקציות החלקיקות הנדירות ביותר ביקום.
הכל נשמע מעורפל; אמר כריסטיאן ויטווג, מועמד לדוקטורט באוניברסיטת מינסטר בגרמניה, שעבד עם מה שנקרא שיתוף פעולה קסנון במשך חצי עשור, שהולך לעבוד כל יום מרגיש כמו "לבקר את נבל בונד". עד כה החוקרים ששכנו בהרים לא תפסו שום חומר אפל. אך לאחרונה הם הצליחו לאתר את אחת האינטראקציות החלקיקות הנדירות ביותר ביקום.
על פי מחקר חדש שפורסם היום (24 באפריל) בכתב העת Nature, צוותם של למעלה ממאה חוקרים מדד, לראשונה אי פעם, את התפרקותו של אטום קסנון-124 לאטום טלוריום 124 באמצעות תהליך נדיר ביותר שנקרא לכידת אלקטרונים כפולה דו-נייטרינו. סוג זה של ריקבון רדיואקטיבי מתרחש כאשר גרעין האטום סופג שני אלקטרונים ממעטפת האלקטרונים החיצונית בו זמנית, ובכך משחרר מנה כפולה של חלקיקי הרפאים הנקראים נייטרינו.
על ידי מדידת הריקבון הייחודי הזה במעבדה בפעם הראשונה, החוקרים הצליחו להוכיח במדויק עד כמה התגובה היא נדירה וכמה זמן לוקח קסנון-124 לריקבון. משך חיי המחצית של קסנון -124 - כלומר, הזמן הממוצע הנדרש לקבוצה של אטומי קסנון -124 יורד בחצי - הוא בערך 18 שנות סרקסטיליון (1.8 x 10 ^ 22 שנים), בערך טריליון פעמים מהגיל הנוכחי של היקום.
זה מציין את מחצית החיים הארוכה היחידה שנמדדה אי פעם ישירות במעבדה, הוסיף Wittweg. רק לתהליך ריקבון גרעיני אחד ביקום יש מחצית חיים ארוכה יותר: התפרקות טוריום -128, שיש לה מחצית חיים ארוכה פי מאה מזו של קסנון 124. אולם האירוע הנדיר בעליל הזה חושב רק על הנייר.
ריקבון יקר
בדומה לצורות הנפוצות יותר של ריקבון רדיואקטיבי, לכידת אלקטרונים כפולה דו-נייטרינו מתרחשת כאשר אטום מאבד אנרגיה ככל שיחס הפרוטונים והנויטרונים בגרעין האטומי משתנה. עם זאת, התהליך חביב בהרבה ממצבי ריקבון נפוצים יותר ותלוי בסדרה של "צירופי מקרים ענקיים", אמר ויטווג. העובדה שיש טונות מילוליות של אטומי קסנון לעבוד איתם, הפכו את הסיכויים של צירופי מקרים אלה לשורה הרבה יותר סבירה.
כך זה עובד: כל האטומים של קסנון-124 מוקפים 54 אלקטרונים, מסתובבים בקליפות מעורפלות סביב הגרעין. לכידת אלקטרון כפול-נייטרינו מתרחשת כאשר שניים מאותם אלקטרונים, בצדפים הסמוכים לגרעין, נודדים בו זמנית אל הגרעין, מתרסקים לחתיכת פרוטון אחת וממיר את הפרוטונים הללו לנויטרונים. כתוצר לוואי של המרה זו, הגרעין פולט שני נייטרינו, חלקיקים תת אטומיים חמקמק ללא מטען ולמעשה ללא מסה שכמעט לעולם אינה מתקשרת עם שום דבר.
הנייטרינים האלה עפים לחלל, ומדענים אינם יכולים למדוד אותם אלא אם הם משתמשים בציוד רגיש במיוחד. כדי להוכיח כי התרחש אירוע לכידת אלקטרונים כפולה דו-נייטרינו, חוקרי קסנון הסתכלו במקום זאת על המרחבים הריקים שהושארו מאחוריהן האטום.
"לאחר שהאלקטרונים נלכדים על ידי הגרעין, נותרו שני משרות פנויות במעטפת האטומית", אמר ויטווג. "המשרות הפנויות מלאות בקונכיות גבוהות יותר, מה שיוצר מפל של אלקטרונים וצילומי רנטגן."
צילומי הרנטגן הללו מפקידים אנרגיה בגלאי, דבר שהחוקרים יכולים לראות בבירור בנתוני הניסוי שלהם. לאחר שנה של תצפיות, הצוות גילה קרוב למאה מקרים של אטומי קסנון-124 שהתפרקו בדרך זו, והעניקו את הראיות הישירות הראשונות לתהליך.
הגילוי החדש הזה של תהליך הדעיכה השני הנדיר ביותר ביקום אינו מקרב את צוות קסנון למציאת חומר אפל, אך הוא אכן מוכיח את הרבגוניות של הגלאי. השלב הבא בניסויי הצוות כולל בניית מיכל קסנון גדול עוד יותר - זה המסוגל להחזיק יותר מ 8.8 טון (8,000 ק"ג) נוזלים - כדי לספק הזדמנויות עוד יותר לגלות אינטראקציות נדירות, אמר Wittweg.
