Κάτω από τα βράχια του όρους Gran Sasso, σε βάθος ενάμισι χιλιομέτρου από την επιφάνεια της Γης, μέσα σε ένα υπόγειο εργαστήριο, γράφτηκε το 2019 ένα μικρό αλλά εντυπωσιακό κεφάλαιο στην ιστορία της Φυσικής. Εκεί, το πείραμα XENON1T κατάφερε να παρατηρήσει ένα από τα πιο σπάνια γεγονότα που έχουν συμβεί ποτέ: τη ραδιενεργή αποσύνθεση ενός ατόμου ξένου-124.
Για τους επιστήμονες, ήταν σαν να κέρδισαν το κοσμικό λαχείο. Ο λόγος; Η συγκεκριμένη ισοτοπική μορφή του ξένου έχει χρόνο ημιζωής περίπου 1,8 × 10²² χρόνια, δηλαδή 18.000 τρισεκατομμύρια χρόνια. Για λόγους σύγκρισης απλά να αναφέρουμε ότι η ηλικία του Σύμπαντος υπολογίζεται στα 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Με άλλα λόγια, ο χρόνος που χρειάζεται για να αποσυντεθεί το μισό από ένα μεγάλο δείγμα ατόμων ξένου-124 είναι περίπου ένα δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερος από την ηλικία του ίδιου του Σύμπαντος!
Ο όρος “χρόνος ημιζωής” περιγράφει το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να αποσυντεθεί το 50% ενός δείγματος ραδιενεργών ατόμων. Για παράδειγμα, το ουράνιο-238 έχει χρόνο ημιζωής 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Στην περίπτωση του ξένου-124, αυτός ο αριθμός αγγίζει τα όρια του ασύλληπτου. Για ένα μόνο άτομο, η αποσύνθεση είναι εντελώς τυχαία και μπορεί να συμβεί ανά πάσα στιγμή, είτε την επόμενη στιγμή είτε σε ένα διάστημα πολλαπλάσιο του θεωρητικού χρόνου ημιζωής του.
Το πώς παρατηρήθηκε αυτό το γεγονός είναι σχεδόν εξίσου εντυπωσιακό με το ίδιο το γεγονός. Το πείραμα XENON1T του National Laboratory of the Gran Sasso βασίστηκε σε έναν τεράστιο θάλαμο με 3,2 τόνους υγρού, εξαιρετικά καθαρού ξένου. Ο αρχικός σκοπός του ήταν να ανιχνεύσει Σκοτεινή Ύλη, και συγκεκριμένα τα υποθετικά σωματίδια WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Για να είναι όσο το δυνατόν πιο ακριβής και ανεπηρέαστος από την κοσμική ακτινοβολία, ο ανιχνευτής εγκαταστάθηκε σε τόσο μεγάλο βάθος κάτω από το βουνό.
Παρότι δεν εντοπίστηκε Σκοτεινή Ύλη, οι επιστήμονες παρατήρησαν κάτι απείρως πιο σπάνιο: την αποσύνθεση ενός ατόμου ξένου-124 σε τελλούριο-124. Ένα γεγονός που, υπό φυσιολογικές συνθήκες, δεν θα έπρεπε να παρατηρηθεί ούτε σε διάρκεια ζωής πολλαπλών Συμπάντων. Κι όμως, χάρη στο τεράστιο δείγμα η πιθανότητα να συμβεί έστω και μία τέτοια αποσύνθεση κατά την περίοδο παρατήρησης έγινε υπαρκτή.
Κατά τη διάρκεια των 177 ημερών συλλογής δεδομένων, οι επιστήμονες κατέγραψαν όχι μία, αλλά συνολικά 126 τέτοιες αποσυνθέσεις. Το φαινόμενο που παρατήρησαν είναι σύμφωνο με το Καθιερωμένο Πρότυπο της Σωματιδιακής Φυσικής, αλλά μέχρι τώρα θεωρούνταν πρακτικά μη ανιχνεύσιμο.
Η διαδικασία είναι πολύ συγκεκριμένη: ο πυρήνας του ξένου-124 “συλλαμβάνει” ταυτόχρονα δύο ηλεκτρόνια από τα εσωτερικά ηλεκτρονικά τροχιακά. Αυτό μετατρέπει δύο πρωτόνια σε νετρόνια, αλλά το συνολικό φορτίο διατηρείται. Το άτομο μετασχηματίζεται σε τελλούριο-124, ενώ η ενέργεια που απελευθερώνεται μεταφέρεται μέσω δύο νετρίνων, τα οποία φεύγουν απαρατήρητα, καθώς δεν αλληλεπιδρούν σχεδόν καθόλου με την ύλη.
Αυτό που κατέγραψε ο ανιχνευτής δεν ήταν τα ίδια τα νετρίνα, αλλά η “αντίδραση” του ατόμου στο εσωτερικό του. Συγκεκριμένα, όταν τα ανώτερα ηλεκτρόνια πέφτουν για να καλύψουν τα κενά των εσωτερικών τροχιακών, απελευθερώνονται ακτίνες Χ και ηλεκτρόνια Auger. Αυτά τα σήματα ήταν η απόδειξη για την εκπληκτική αποσύνθεση που σημειώθηκε.
Πέρα από την επιστημονική περιέργεια, το πείραμα είχε και πρακτική σημασία. Μπορεί να μην εντοπίστηκε Σκοτεινή Ύλη, αλλά το γεγονός ότι καταγράφηκαν τέτοια ασθενή και σπάνια φαινόμενα επιβεβαιώνει την ακρίβεια και την ευαισθησία του ανιχνευτή XENON1T. Παράλληλα, τα δεδομένα συμβάλλουν στην καλύτερη κατανόηση των θεωρητικών μοντέλων που περιγράφουν τη δομή και τη σταθερότητα των ατομικών πυρήνων.
Διαβάστε επίσης
Και δεν είναι μόνο αυτό. Η παρατήρηση αυτή αποτελεί πρόβα για έναν ακόμη πιο φιλόδοξο στόχο: την αναζήτηση διπλής ηλεκτρονικής σύλληψης χωρίς την εκπομπή νετρίνων. Αν αυτό το θεωρητικό φαινόμενο κάποτε επιβεβαιωθεί, θα αποδείξει ότι τα νετρίνα είναι ταυτόχρονα και αντισωματίδιά τους — τα λεγόμενα Majorana particles. Μια τέτοια ανακάλυψη θα μπορούσε να δώσει απαντήσεις στο θεμελιώδες ερώτημα γιατί το Σύμπαν αποτελείται από ύλη και όχι από αντιύλη.
Το φαινόμενο που καταγράφηκε το 2019 κάτω από το Gran Sasso ίσως αποδειχθεί ένα από τα πιο σημαντικά βήματα προς αυτή την κατεύθυνση. Ένα σιωπηλό, σχεδόν αόρατο γεγονός, που μας φέρνει πιο κοντά στις πιο θεμελιώδεις αλήθειες του Σύμπαντος.
[via]
