Физики впервые увидели самый редкий распад атома во Вселенной

МОСКВА, 24 апр – РИА Новости. Участники коллаборации XENON1T стали свидетелями завершения одного из самых медленных процессов во Вселенной – двухнейтринного обратного бета-распада атома ксенона-124. Период полураспада этого изотопа в триллион раз больше времени жизни мироздания, пишут ученые в журнале Nature.

«

"Мы воочию увидели этот распад. Это самый долгий, медленный процесс, который когда-либо удалось изучить человечеству, и наш детектор оказался достаточно чувствительным, чтобы мы напрямую могли проследить за ним. Удивительно, но теперь мы можем уверенно сказать, что XENON1T изучил самую редкую вещь во Вселенной", — заявил Итан Браун (Eathan Brown) из Политехнического института Ренессалера в Трое (США).

Установка XENON1T была построена в итальянской лаборатории Гран-Сассо в 2014 году для поисков следов существования "тяжелой" темной материи, так называемых частиц-"вимпов". Она представляет собой огромный чан, заполненный тремя тоннами сверхчистого ксенона, что примерно в 10 раз больше массы всех его конкурентов.

Ядра атомов благородного газа, как предполагали раньше ученые, должны были взаимодействовать с "вимпами" особым образом, что можно было обнаружить, наблюдая за вспышками света внутри сжиженного ксенона.

За последние два десятилетия ученые создали около дюжины подобных детекторов со все большим объемом и массой. Ни один из них так и не смог зафиксировать следы взаимодействий ксенона с вимпами. Это заставляет сегодня многих физиков сомневаться в том, что подобная форма темной материи существует в природе.

В случае с XENON1T, эти усилия не были полностью безрезультатными. Браун и его коллеги не нашли "тяжелой" темной материи, но открыли следы одного из самых редчайших процессов во Вселенной, критически важного для поисков "новой физики".

Помимо классических бета- и альфа-распадов, существуют и другие, более экзотические варианты "самоуничтожения" нестабильных атомов, в ходе которых они вырабатывают пары электронов и нейтрино, или же поглощают их.

Некоторые из них были предсказаны теорией, но на практике пока не обнаружены из-за чрезвычайно больших периодов полураспада веществ, способных вести себя таким образом, или крайне низких шансов на то, что распад пойдет именно по этому сценарию.

В их число входил так называемый ECEC-распад, в ходе которого атом одновременно захватывает два электрона, они сливаются с протонами, порождая два нейтрона. Этот процесс может сопровождаться как выделением двух нейтрино, так и их взаимной аннигиляцией, причем шансы и на то, и на другое исчезающе малы.

За все время существования науки ученые нашли только два намека на существование первого подтипа ECEC-распадов, наблюдая за атомами бария-130 и криптона-78. Все замеры такого рода были непрямыми, из-за чего они вызывают сомнения у многих экспериментаторов и теоретиков.

Браун и его коллеги по коллаборации XENON1T доказали, что подобный процесс действительно происходит с атомами ксенона-124, бесчисленное множество которых присутствовало внутри чана их детектора.

Это устройство, как отмечает ученый, было устроено таким образом, что физики могли "промотать" время назад и проследить за источником и рождением любой вспышки света внутри емкости со сжиженным газом.

Анализируя подобные события, ученые натолкнулись на необычную порцию вспышек рентгеновского излучения и пучки электронов, которые не были похожи на следы распадов ксенона-124 по "обычным" каналам или на результаты проникновения космических лучей в чан XENON1T.

Проанализировав их свойства, ученые пришли к выводу, что вспышки света родились в тот момент времени, когда один из атомов ксенона-124 поглотил два электрона, превратился в теллур-124 и выбросил пару нейтрино. Эти перестройки привели к тому, что другие электроны начали массово мигрировать на "вакантные" места, что и породило необычные всплески рентгена.

Это открытие позволило физикам дать первую практическую оценку периода полураспада ксенона-124. Он оказался заметно длиннее, чем предполагали теоретики – 18 секстиллионов лет, что в 112 миллионов раз больше, чем считалось ранее, и в триллион раз выше, чем время существования Вселенной.

Последующие обнаружения ECEC-распадов, как надеются физики, помогут им измерить некоторые важнейшие свойства нейтрино, критически необходимые для проверки Стандартной модели физики и определения того, какой массой обладают эти неуловимые частицы. Вдобавок, ученые предполагают, что их находка повышает шансы на открытие еще более редких безнейтринных ECEC-распадов, напрямую связанных с тем, есть ли "новая физика" или нет.