Experiment XENON1T. Kredit: XENON1T.

Chtěli byste se stát svědky události, která se má odehrát za dobu, která asi tak bilionkrát přesahuje celou dosavadní existenci našeho vesmíru? Právě to se poštěstilo týmu XENON Collaboration, který postavil nesmírně cool a také velice sofistikovaný experiment pro detekci temné hmoty, asi nejvíce kluzké materie ve vesmíru, která zatím vyklouzla ze všech našich pokusů o její polapení.

Ethan Brown. Kredit: Rensselaer Polytechnic Institute.

Tým XENON opět neulovil temnou hmotu. Bohužel. Je to už na pováženou. Nicméně, to ještě neznamená, že by jejich experimenty nemohly přinést pozoruhodné výsledky, které jsou hodné učebnic. Ethan Brown z amerického institutu Rensselaer Polytechnic Institute a jeho spolupracovníci v nejbližších hodinách zveřejní v časopise Nature své absolutně unikátní pozorování. Na detektoru temné hmoty se jim totiž podařilo detekovat radioaktivní rozpad xenonu-124. Zní to poněkud banálně, ale jen do chvíle, než se ukáže, že poločas rozpadu tohoto izotopu je 1,8 krát 10 na 22 let. Doba existence známého vesmíru, v němž všichni žijeme, je přitom přibližně 1,38 krát 10 na 10 let. Je tedy asi bilionkrát kratší.

Nadzemní část podzemních laboratoří v Grand Sasso. Kredit: TQB1 / Wikimedia Commons.

Brown s kolegy skutečně jako první pozorovali rozpad izotopu xenonu-124. Muselo to být naprosto fascinující. Je to daleko nejdelší, nejpomalejší proces, jaký se kdy lidem podařilo přímo pozorovat. Shodou okolností měli k dispozici detektor temné hmoty, experiment XENON1T, který je tak nesmírně citlivý, že mohl takovou událost změřit. Temná hmota to sice není, ale vědce týmu XENON teď může hřát u srdce, že se svým detektorem zaznamenali nejvzácnější událost v historii vědy.

Fotodetektory vnitřního detektoru experimentu XENON1T. Kredit: XENON Collaboration.

Tým XENON, který tvoří více než 160 vědců z řady zemí světa, momentálně loví temnou hmotu na detektoru XENON1T. To je nádrž s 1 300 kilogramy superčistého kapalného xenonu, která je umístěná v kryostatu, ve vodě a 1,5 kilometru pod zemí kvůli odstínění částic kosmického záření, v italských laboratořích Laboratori Nazionali del Gran Sasso. XENON1T se snaží detekovat nepatrné záblesky záření, které vznikají při střetu částic s atomy xenonu. Detektor byl sice postavený kvůli detekci interakcí mezi případnými částicemi temné hmoty a jádry atomů xenonu, ve skutečnosti ale zaznamenává signály z různých dějů uvnitř atomů xenonu.

K detekci zmíněné ultravzácné události došlo tak, že se proton uvnitř jednoho z atomů xenonu v experimentu XENON1T přeměnil na neutron. U většiny radioaktivních izotopů se při rozpadu změní proton na neutron, když se do jádra atomu dostane jeden elektron. Aby se ale na neutron přeměnil proton v jádru xenonu, tak musí absorbovat dva elektrony najednou (double-electron capture). K takové události dojde jedině tehdy, když se těsně u jádra xenonu ocitnou dva elektrony ve vhodné pozici. To je extrémně nepravděpodobné. Právě proto je radioaktivní rozpad xenonu-124 tak nesmírně pozvolný. Když proton v jádru xenonu absorboval zmíněnou dvojici elektronů, tak zbývající elektrony atomu xenonu zkolabovaly do základního stavu. A tento proces detekoval XENON1T.

Video: XENON1T - Enlightening the Dark


Literatura
Rensselaer Polytechnic Institute 24. 4. 2019, Nature 568: 532–535.