科學家在義大利深處設定陷阱,科學家稱可能是宇宙中最防輻射的物質

在義大利中部一座山的深處,科學家們正在為暗物質設定陷阱。誘餌嗎?一個裝滿3。5噸(3200公斤)純液態氙的大金屬罐。這種稀有氣體是地球上最清潔、最防輻射的物質之一,是捕捉宇宙中一些最稀有粒子相互作用的理想目標。德國明斯特大學(University of Munster)博士研究生克里斯蒂安維特威格(Christian Wittweg)說:這一切聽起來都有點邪惡,每天上班感覺就像“拜訪邦德電影中的反派人物”。到目前為止,居住在山區的研究人員還沒有捕捉到任何暗物質。

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但現他們成功地探測到了宇宙中最罕見的粒子相互作用之一。根據2019年4月24日發表在《自然》上的一項新研究,由100多名研究人員組成的研究小組首次測量了氙-124原子透過一種極其罕見的過程(雙中微子雙電子俘獲)衰變為碲-124原子的過程。當一個原子的原子核同時從外電子層吸收兩個電子時,就會發生這種放射性衰變,從而釋放出兩倍劑量,被稱為中微子的幽靈粒子。透過首次在實驗室中測量這種獨特的衰變,研究人員能夠精確地證明氙-124反應有多罕見,以及衰變需要多長時間。

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研究成員們準備了暗物質探測器,裡面裝滿了3。5噸(3200公斤)液態氙。儘管該小組尚未發現暗物質的蹤跡,但他們確實探測到了宇宙中第二長的放射性衰變。圖片:Xenon Collaboration

氙-124的半衰期(也就是說,一組氙-124原子減少一半所需的平均時間)約為18萬億年(1。8 x 10^22年),大約是目前宇宙年齡的1萬億倍。換句話說,如果6500萬年前恐龍滅絕時,有100個氙-124原子,從統計學上講,所有這100個原子今天都還在那裡。這是在實驗室中直接測量到的最長半衰期。宇宙中只有一個核衰變過程的半衰期更長:碲-128的衰變,它的半衰期是氙-124的100多倍。但這一極為罕見的事件只是在紙上計算出來。

珍貴的衰變

與更常見的放射性衰變形式一樣,當原子核中質子和中子的比例發生變化,原子失去能量時,就會發生雙中微子雙電子俘獲。然而,這一過程比更常見的衰變模式要挑剔得多,而且取決於一系列“巨大的巧合”。大量氙原子的存在使得這些巧合發生的可能性大大增加。氙-124原子都被54個電子包圍著,在圍繞原子核的朦朧外殼中旋轉。雙中微子雙電子捕獲發生在靠近原子核的殼層中,其中兩個電子同時進入原子核,分別撞擊一個質子,並將這些質子轉化為中子。

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作為這種轉換的副產品,原子核會噴出兩個中微子,這是一種難以捉摸的亞原子粒子,不帶電荷,幾乎沒有質量,幾乎從不與任何東西發生作用。這些中微子飛向太空,科學家們無法測量它們,除非使用極其敏感的裝置。為了證明雙中微子雙電子捕獲事件已經發生,氙研究人員轉而研究了衰變原子中留下的空白。電子被原子核俘獲後,原子殼層還剩下兩個空位。這些空缺是由更高的殼層填補,這就產生了電子和x射線的級聯。

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這些x射線在探測器中儲存能量,研究人員可以從實驗資料中清楚地看到。經過一年的觀察,研究小組發現了近100個氙-124原子以這種方式衰變的例子,為這一過程提供了第一個直接證據。這個對宇宙中第二稀有衰變過程的新發現,並沒有讓氙團隊離發現暗物質更近一步,但它確實證明了探測器的通用性。研究小組的下一步實驗包括建造一個更大的氙氣罐——這個能容納8。8噸(8000公斤)以上的液體——以提供更多的機會來探測罕見的相互作用。

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博科園-科學科普|文:?Brandon Specktor/Live Science

參考期刊文獻:《自然》

DOI: 10。1038/s41586-019-1124-4

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