¿Cómo observa un proceso que toma más de un billón de veces más que la edad del universo? El equipo de investigación de XENON Collaboration lo hizo con un instrumento construido para encontrar la partícula más esquiva del universo:la materia oscura. En un artículo que se publicará mañana en la revista Naturaleza , Los investigadores anuncian que han observado la desintegración radiactiva del xenón-124, que tiene una vida media de 1.8 X 10 ²² años.

"De hecho, vimos cómo sucedía esta descomposición. Es la más larga, proceso más lento que jamás se haya observado directamente, y nuestro detector de materia oscura era lo suficientemente sensible para medirlo, "dijo Ethan Brown, profesor asistente de física en Rensselaer, y coautor del estudio. "Es asombroso haber sido testigo de este proceso, y dice que nuestro detector puede medir la cosa más rara jamás registrada ".

XENON Collaboration ejecuta XENON1T, un 1, Cuba de 300 kilogramos de xenón líquido superpuro protegido de los rayos cósmicos en un criostato sumergido en agua profunda 1, 500 metros por debajo de las montañas del Gran Sasso de Italia. Los investigadores buscan materia oscura (que es cinco veces más abundante que la materia ordinaria, pero rara vez interactúa con la materia ordinaria) registrando pequeños destellos de luz creados cuando las partículas interactúan con el xenón dentro del detector. Y aunque XENON1T fue construido para capturar la interacción entre una partícula de materia oscura y el núcleo de un átomo de xenón, el detector realmente capta señales de cualquier interacción con el xenón.

La evidencia de la desintegración del xenón se produjo como un protón dentro del núcleo de un átomo de xenón convertido en un neutrón. En la mayoría de los elementos sujetos a descomposición, eso sucede cuando un electrón entra en el núcleo. Pero un protón en un átomo de xenón debe absorber dos electrones para convertirse en un neutrón, un evento llamado "captura de doble electrón".

La captura de dos electrones solo ocurre cuando dos de los electrones están justo al lado del núcleo en el momento adecuado, Brown dijo:que es "una cosa rara multiplicada por otra cosa rara, haciéndolo ultra raro ".

Cuando sucedió lo ultra raro, y se produjo una captura de doble electrón dentro del detector, los instrumentos recogieron la señal de los electrones en el átomo reorganizándose para reemplazar los dos que fueron absorbidos por el núcleo.

"Los electrones en doble captura se eliminan de la capa más interna alrededor del núcleo, y eso crea espacio en ese caparazón, "dijo Brown." Los electrones restantes colapsan al estado fundamental, y vimos este proceso de colapso en nuestro detector ".

El logro es la primera vez que los científicos han medido la vida media de este isótopo de xenón basándose en una observación directa de su desintegración radiactiva.

"Este es un hallazgo fascinante que avanza las fronteras del conocimiento sobre las características más fundamentales de la materia, "dijo Curt Breneman, decano de la Facultad de Ciencias. "El trabajo del Dr. Brown para calibrar el detector y garantizar que el xenón se limpie con el mayor estándar de pureza posible fue fundamental para realizar esta importante observación".

La colaboración XENON incluye a más de 160 científicos de Europa, los Estados Unidos, y el Medio Oriente, y, desde 2002, ha operado tres detectores de xenón líquido sucesivamente más sensibles en el Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia. XENON1T, el detector más grande de su tipo jamás construido, datos adquiridos desde 2016 hasta diciembre de 2018, cuando estaba apagado. Los científicos están actualizando el experimento para la nueva fase XENONnT, que contará con una masa de detector activa tres veces mayor que XENON1T. Junto con un nivel de fondo reducido, esto aumentará la sensibilidad del detector en un orden de magnitud.