Diep in een berg in Midden-Italië leggen wetenschappers een val voor donkere materie. Het aas? Een grote metalen tank vol 3,5 ton (3.200 kilogram) puur vloeibaar xenon. Dit edelgas is een van de schoonste, meest stralingsbestendige stoffen op aarde, waardoor het een ideaal doelwit is voor het vastleggen van enkele van de zeldzaamste deeltjesinteracties in het universum.
Het klinkt allemaal vaag sinister; zei Christian Wittweg, een promovendus aan de Universiteit van Münster in Duitsland, die al een half decennium samenwerkt met de zogenaamde Xenon-samenwerking en elke dag naar zijn werk gaat, voelt als "een Bond-schurk bezoeken". Tot nu toe hebben de bergbewoners geen donkere materie gevangen. Maar ze zijn er onlangs in geslaagd om een van de zeldzaamste deeltjesinteracties in het universum te detecteren.
Volgens een nieuwe studie die vandaag (24 april) in het tijdschrift Nature is gepubliceerd, heeft het team van meer dan 100 onderzoekers voor de allereerste keer het verval van een xenon-124-atoom tot een tellurium 124-atoom gemeten door middel van een uiterst zeldzaam proces genaamd twee-neutrino dubbele elektronenvangst. Dit type radioactief verval treedt op wanneer de atoomkern twee elektronen tegelijkertijd uit de buitenste elektronenschil absorbeert, waardoor een dubbele dosis van de spookachtige deeltjes, neutrino's genaamd, wordt afgegeven.
Door dit unieke verval voor het eerst in een laboratorium te meten, konden de onderzoekers precies bewijzen hoe zeldzaam de reactie is en hoe lang het duurt voordat xenon-124 vervalt. De halfwaardetijd van xenon-124 - dat wil zeggen de gemiddelde tijd die een groep xenon-124-atomen nodig heeft om met de helft te verminderen - is ongeveer 18 sextillion jaar (1,8 x 10 ^ 22 jaar), ongeveer 1 biljoen keer de huidige leeftijd van het universum.
Dit is de enige langste halfwaardetijd ooit gemeten in een laboratorium, voegde Wittweg eraan toe. Slechts één nucleair vervalproces in het heelal heeft een langere halfwaardetijd: het verval van telluur-128, dat een halfwaardetijd heeft van meer dan 100 keer langer dan die van xenon-124. Maar deze verdwijnend zeldzame gebeurtenis is alleen op papier berekend.
Een kostbaar verval
Net als bij de meer gebruikelijke vormen van radioactief verval, vindt het vangen van twee neutrino's met dubbele elektronen plaats wanneer een atoom energie verliest als de verhouding tussen protonen en neutronen in de atoomkern verandert. Het proces is echter veel kieskeuriger dan de meer gebruikelijke vervalmodi en hangt af van een reeks 'gigantische toevalligheden', zei Wittweg. Het hebben van letterlijke tonnen xenonatomen om mee te werken maakte de kans op deze toevalligheden veel groter.
Zo werkt het: alle xenon-124-atomen zijn omgeven door 54 elektronen, die in wazige schillen rond de kern ronddraaien. Twee-neutrino dubbele-elektronenvangst vindt plaats wanneer twee van die elektronen, in schelpen dichtbij de kern, gelijktijdig naar de kern migreren, crashen in een proton per stuk en die protonen omzetten in neutronen. Als bijproduct van deze conversie spuugt de kern twee neutrino's uit, ongrijpbare subatomaire deeltjes zonder lading en vrijwel zonder massa die bijna nooit met iets in wisselwerking staan.
Die neutrino's vliegen de ruimte in en wetenschappers kunnen ze niet meten tenzij ze extreem gevoelige apparatuur gebruiken. Om te bewijzen dat er een twee-neutrino dubbele elektronenvangstgebeurtenis heeft plaatsgevonden, keken de Xenon-onderzoekers in plaats daarvan naar de lege ruimtes die achterbleven in het rottende atoom.
'Nadat de elektronen door de kern zijn opgevangen, zijn er nog twee vacatures in de atoomschil', zei Wittweg. 'Die vacatures worden ingevuld vanuit hogere schalen, waardoor er een cascade van elektronen en röntgenstralen ontstaat.'
Die röntgenstralen zetten energie af in de detector, wat de onderzoekers duidelijk kunnen zien in hun experimentele gegevens. Na een jaar observatie ontdekte het team bijna 100 gevallen van xenon-124-atomen die op deze manier vervielen, wat het eerste directe bewijs van het proces was.
Deze nieuwe detectie van het op één na zeldzaamste vervalproces in het universum brengt het Xenon-team niet dichter bij het vinden van donkere materie, maar bewijst wel de veelzijdigheid van de detector. De volgende stap in de experimenten van het team bestaat uit het bouwen van een nog grotere xenontank - deze kan meer dan 8,8 ton (8.000 kg) vloeistof bevatten - om nog meer mogelijkheden te bieden om zeldzame interacties te detecteren, zei Wittweg.
