Detector de materia oscura mide la vida media del xenón-124 que es más larga que la edad del universo
La vida media de un proceso es el tiempo después del cual la mitad de los núcleos radioactivos presentes en una muestra se han descompuesto. Utilizando el detector de materia oscura XENON1T, una cuba de 1.300 kg de xenón líquido súper puro protegido de los rayos cósmicos en un criostato sumergido en agua a 1,5 km de profundidad bajo las montañas del Gran Sasso en Italia, los físicos de la Colaboración XENON pudieron observar por primera vez la descomposición de los núcleos atómicos de xenón-124. La vida media medida para el xenón-124 es aproximadamente un trillón de veces más larga que la edad del Universo. Esto hace que la desintegración radioactiva observada - la llamada captura de doble electrones de xenón-124 - sea el proceso más raro jamás visto en un detector. Un conjunto de fotodetectores del detector XENON1T visto a través del otro. Crédito de la imagen: XENON Collaboration. No todos los átomos son estables. Dependiendo de su composición, algunos se estabilizan liberando partículas subatómicas y convirtiéndose en un átomo de un elemento diferente - un proceso llamado descomposición radioactiva. Estamos mucho más familiarizados con los elementos radiactivos como el uranio y el plutonio - estos son los adolescentes salvajes de los elementos radiactivos, constantemente lanzando partículas. El radón-222, por ejemplo, tiene una vida media de sólo cuatro días. Sin embargo, algunos elementos se descomponen muy lentamente. El xenón-124 es uno de esos estadistas mayores, aunque los físicos han estimado su vida media en 160 trillones de años a medida que se descompone en telurio-124. Se presume que el Universo tiene entre 13 y 14 mil millones de años de antigüedad. El nuevo hallazgo sitúa la vida media del xenón-124 más cerca de los 18 años de sextillón. "La vida media no significa que cada átomo tarde tanto en descomponerse. La cifra simplemente indica cuánto tiempo, en promedio, tardará la mayor parte de un material radiactivo en reducirse a la mitad", dijo el Dr. Christopher Tunnell, físico de la Universidad de Rice y miembro de la Colaboración XENON. Sin embargo, la posibilidad de ver un incidente de este tipo en el caso del xenón-124 es muy pequeña, a menos que se reúnan suficientes átomos de xenón y se los coloque en el lugar más radiopuro de la Tierra". Un punto clave aquí es que tenemos tantos átomos, así que si alguno se descompone, lo veremos. Tenemos una tonelada (literal) de material." "De hecho, vimos esta decadencia. Es el proceso más largo y lento que se ha observado directamente, y nuestro detector de materia oscura era lo suficientemente sensible como para medirlo", dijo el Dr. Ethan Brown, físico del Instituto Politécnico Rensselaer y miembro de la Colaboración XENON. "Es increíble haber presenciado este proceso, y dice que nuestro detector puede medir la cosa más rara jamás registrada." Esquema de la captura de dos neutrinos de doble electrón: en este proceso, el núcleo captura dos electrones de la cáscara atómica (negro), generalmente de la capa K, y simultáneamente convierte dos protones (rojo) en neutrones (blanco); dos neutrinos (negro) son emitidos en el proceso nuclear y se llevan la mayor parte de la energía de decaimiento mientras que la cáscara atómica se deja en un estado excitado con dos agujeros en la capa K; Durante la relajación atómica se emite una cascada de rayos X (rojo, `X') y electrones Auger (rojo, `e'), cuando la capa K se rellena con las capas L, M y N de mayor energía; a su vez, se crean vacantes en las capas de relleno y se rellenanan con electrones de las capas de mayor energía (flechas). Crédito de la imagen: XENON Collaboration. La evidencia de la descomposición 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 es arrastrado hacia el núcleo. Pero dos protones en un átomo de xenón deben absorber simultáneamente dos electrones para convertirse en dos neutrones, un evento llamado doble captura de electrones . "La doble captura de electrones sólo ocurre cuando dos de los electrones están justo al lado del núcleo en el momento justo, lo que es una cosa rara multiplicada por otra cosa rara, lo que la hace ultra-rara", dijo el Dr. Brown. Cuando ocurrió lo ultra-raro, y una doble captura de electrones ocurrió dentro del detector, los instrumentos captaron la señal de electrones en el átomo.
