Период полураспада Ксенон-124 и возраст вселенной

Новое открытие утверждает, что период полураспада ксенона 124 составляет около 18 000 000 000 000 000 000 000 лет.

Существующая теория предсказывает, что радиоактивный распад изотопа имеет период полураспада, который превосходит возраст вселенной «на много порядков», но никаких доказательств этого процесса до сих пор не появилось.

Международная группа физиков сообщает о первом прямом наблюдении двойного электронного захвата двух нейтрино для Ксенон-124, физического процесса, который элемент “использует” для распада, по материалам Nature .

Кристофер Туннелл, доцент кафедры физики и астрономии, и компьютерных наук в Университете Райса. Фото: Futurity

Хотя большинство изотопов ксенона имеют период полураспада менее 12 дней, исследователи считают, что некоторые из них являются исключительно долгоживущими и по существу стабильными. Ксенон-124 является одним из таких, хотя  исследователи оценили его период полураспада в 160 триллионов лет, когда он распадается на теллур 124. Ученые предполагают, что возраст Вселенной составляет всего 13–14 миллиардов лет.

В итальянской горе

Период полураспада не означает, что каждый атом распадается так долго. Число просто указывает, сколько времени в среднем потребуется для того, чтобы основная масса радиоактивного материала сократилась вдвое.

Тем не менее, вероятность увидеть такой инцидент для Ксенон-124 крайне мала – если только человек не соберет достаточно атомов ксенона и не поместит их в «самое чистое место на Земле», говорит Кристофер Туннелл, доцент кафедры физики и астрономии и компьютера наука в университете риса. «Ключевым моментом здесь является то, что у нас так много атомов, поэтому, если они распадутся, мы увидим это. У нас есть (буквальная) тонна материала ».

Это место, расположенное глубоко в горах в Италии, представляет собой камеру, в которой находится тонны высокоочищенного жидкого ксенона, всячески защищаемого от радиоактивных помех.

Этот эксперимент, получивший название эксперимента XENON1T, является последним в серии камер, предназначенных для поиска первых прямых доказательств темной материи, таинственной субстанции, которая, как считается, составляет большую часть материи во вселенной.

Он даёт возможность наблюдать и другие уникальные природные явления. Одним из таких исследований в последнем годовом пробеге был мониторинг предсказанного распада Ксенон-124. По словам Туннелла, сортировка данных, полученных камерой, показала «десятки» этих распадов.

Виды распада

«Мы можем видеть одиночные нейтроны, одиночные фотоны, одиночные электроны», – говорит он. «Все, что входит в этот детектор, будет каким-то образом выделять энергию, и это измеримо». XENON1T может обнаруживать фотоны, которые оживают в жидкой среде, а также электроны, притягиваемые к верхнему слою заряженного ксенонового газа. Оба производятся при распаде Ксенон-124.

«Существуют разные способы распада радиоактивного изотопа», – говорит он. Одним из них является бета-распад. Это означает, что электрон просто выходит. У вас может быть альфа-распад, когда он отщепляет часть ядра, высвобождая энергию. И есть захват электрона, когда электрон входит в ядро ​​и превращает протон в нейтрон. Это изменяет состав ядра и приводит к его распаду.

«Обычно у вас есть один электрон и одно нейтрино», – говорит Туннелл. «У этого нейтрино есть фиксированная энергия, то есть как ядро ​​вытесняет свою массу. Это процесс, который мы часто видим в физике ядерных частиц, и он достаточно хорошо понят. Но мы никогда не видели, чтобы два электрона одновременно входили в ядро ​​и испускали два нейтрино».

Фотоны высвобождаются в виде каскада электронов, чтобы заполнить более низкие вакансии вокруг ядра. Они отображаются в виде выпуклости на графике, который можно интерпретировать только как множественные двухнейтринные двойные электронные захваты. «Это невозможно объяснить никакими другими источниками информации, о которых мы знаем», – говорит Туннелл, который два года работал координатором анализа.

Что ещё мы можем сделать?

XENON1T остается крупнейшим в мире, наиболее чувствительным детектором для слабо взаимодействующих массивных частиц, или WIMP, гипотетических частиц, которые, как считается, составляют темную материю. Туннелл работал в XENON1T с приглашенным ученым Джунжи Наганомой, который занимал должность операционного менеджера.

Исследователи, которые составляют коллаборацию XENON, все из которых являются соавторами текущей статьи, еще не обнаружили темную материю, но ученые создают более крупный инструмент, XENONnT, для дальнейшего поиска. Петр Чагин, доцент исследования в Rice, является менеджером по вводу в эксплуатацию нового прибора, ответственным за его конструкцию.

Туннелл говорит, что пример сотрудничества может привести исследователей к поиску других экзотических процессов, не связанных с темной материей, включая продолжающуюся охоту за другим невидимым процессом – безнейтринным двойным электронным захватом, при котором нейтрино не выделяется. Этот процесс, согласно статье, «будет иметь значение для природы нейтрино и даст доступ к абсолютной массе нейтрино».

«Это становится сложно, потому что, хотя у нас есть наука, которую мы пытаемся сделать, мы также должны подумать о том, что еще мы можем сделать с экспериментом», – говорит Туннелл. «У нас много студентов, ищущих дипломные проекты, поэтому мы составляем список из 10 или 20 других измерений – но они – выстрел в темноте, и мы почти всегда ничего не придумываем, что типично для любопытства наука.

«В этом случае мы сделали снимок в темноте, где двум или трем студентам очень повезло».

Поддержку оказали Национальный научный фонд, Швейцарский национальный научный фонд, Министерство образования и науки Германии, Макс Планк Гезельшафт, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Голландская организация научных исследований, NLeSC, Институт науки Вейцмана, I-CORE, Pazy- Vatat, Сеть невидимых начальных учебных заведений, Fundacao para a Ciencia ea Tecnologia, Region des Pays de la Loire, Фонд Кнута и Алисы Валленберг, Фонд Кавли, Аспирантская стипендия Abeloe и Национальный институт науки. через Futirity

Источник:  Университет Райса через Futurityоригинальное исследование  DOI: 10.1038 / s41586-019-1124-4

Кажется, Вам понравился этот материал, раз Вы его дочитали до конца. Пожалуйста, поделитесь с нами своими мыслями об этом?

Comment

This post doesn't have any comment. Be the first one!

hide comments
Share
...
Back

Your cart

0

Корзина пуста.

Total
0.00$
Checkout
Empty

This is a unique website which will require a more modern browser to work!

Please upgrade today!