Обнаружено вещество, которое распадается дольше нашей Вселенной

Физики с помощью детектора XENON1T впервые напрямую измерили период полураспада изотопа ксенона-124 — около 20 секстиллионов лет, рекорд среди исследованных нестабильных изотопов. Это означает, что среднее время жизни отдельно взятого атома ксенона-124 в два триллиона раз больше, чем современный возраст Вселенной. Интересно, что это лишь третий известный изотоп, для которого зафиксирован распад путем двойного электронного захвата. Об этом сообщает коллаборация XENON в новой публикации в журнал Nature, краткий пересказ статьи доступен на сайте научной группы.

Период полураспада — ключевой параметр, который позволяет понять, насколько активен тот или иной изотоп. Например, радон, природный источник радиационного фона, чрезвычайно активен — период полураспада его наиболее стабильного изотопа меньше четырех дней. Калий-40, входящий в состав нашего организма, обладает периодом полураспада в 1,3 миллиарда лет, а наиболее стабильный изотоп висмута, который долгое время считался самым тяжелым стабильным элементом, имеет период полураспада 4,6×1019лет, в три миллиарда раз больше возраста Вселенной. Чем меньше период полураспада, тем чаще будут происходить распады в образце, содержащем одинаковое количество ядер изотопов. Скажем, в образце из миллиона атомов за время полураспада произойдет распад примерно половины атомов. Чтобы оценить среднее время жизни одного изолированного атома период полураспада надо помножить примерно на 1,45 (обратный натуральный логарифм двух).

Не менее важной характеристикой является механизм радиоактивного распада. Выделяют альфа-, бета-распады, гамма-переходы, спонтанное деление и испускание протона или кластеров нуклонов. Бета-распады происходят с участием электронов или позитронов. Например, в одном из них нейтрон ядра распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. При этом заряд ядра увеличивается на единицу. В позитронном бета-распаде слабое взаимодействие превращает протон в ядре в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино. Также к этой группе распадов относят электронный захват — протон ядра захватывает один из электронов, находящихся на ближайшей к ядру оболочке, и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино. Это один из двух основных путей распада калия-40.

Атомное ядро устроено довольно сложно и оказывается, что для некоторых ядер обыкновенные распады оказываются запрещены. Так, например, электронный захват характерен для протонноизбыточных ядер, и если иод-124 легко превращается в теллур-124, то еще более протонноизбыточный ксенон-124 в иод-124 не превращается, этот распад запрещен законом сохранения энергии (иод-124 немного тяжелее ксенона-124, разница меньше 0,0003 процента). Но для таких ядер существует возможность совершить двойной распад — ядро ксенона может одновременно захватить два электрона с внутренней оболочки атома, превратить сразу два протона в нейтроны (став теллуром) и испустить сразу два электронных нейтрино. Вероятность этого процесса чрезвычайно мала, поэтому и время жизни такого ядра оказывается огромным. Чтобы получить шанс зафиксировать подобные двойные распады нужно увеличить вероятность распада в образце, увеличив в нем количество атомов.

Детектор эксперимента XENON1T, предназначенный для поисков слабовзаимодействующих массивных частиц темной материи, как нельзя лучше подходит для поисков распадов ядер ксенона. Он состоит из 3,5 тонн очищенного жидкого ксенона поддерживаемого при температуре -95 градусов Цельсия. Примерно 1,3 тонны находятся в рабочей области детектора. На тонну смеси изотопов в детекторе приходится примерно килограмм ксенона-124. В установке располагаются чувствительные фотодетекторы, реагирующие на слабые вспышки света, которые могут происходить как из-за радиоактивных распадов, так и из-за взаимодействий с темной материей. Кроме того, еще один ряд детекторов фиксирует заряженные частицы, рождающиеся в результате взаимодействий. Чтобы изолировать приборы от космических частиц, установка расположена на глубине 1,5 километра под горным массивом Гран-Сассо в Италии. 

Физики копили данные о распадах в детекторе более 200 суток. Сигналы, соответствующие двойному электронному захвату в ксеноне-124, ученые определяли по суммарной энергии, выделявшейся во вспышках при распаде. Их источник — рентгеновское излучение и оже-электроны, вылетавшие из атома после распада и взаимодействовавшие с окружающими атомами ксенона. Всего, после тщательного анализа фоновых шумов, удалось накопить 126 ± 29 таких событий, то есть статистическая значимость наблюдения равна 4,4 сигма. Учитывая общее количество атомов ксенона в установке, это означает, что период полураспада ксенона-124 равен 1,8×1022лет, что является рекордом среди измеренных напрямую периодов полураспада. 

Уловить в таком эксперименте электронные нейтрино, вылетавшие при распаде, очень сложно из-за того, что эти частицы очень слабо взаимодействуют с веществом. Тем не менее, рождение пары нейтрино одного типа в этом процессе — хорошая возможность чтобы протестировать гипотезу о майорановской природе нейтрино. Эта гипотеза говорит о том, что нейтрино — античастицы самим себе, а значит нейтрино одного и того же вида могут аннигилировать сами с собой. Пока эта гипотеза проверялась только на «обычном» двойном бета-распаде, физики пытаются увидеть нехватку нейтрино, рождающихся в этом процессе. Ученые рассчитывают, что обновленная 8-тонная версия детектора — XENONnT, которая сейчас находится в стадии установки, сможет присоединиться к поискам безнейтринных двойных бета-распадов.

Интересно заметить, что ксенон-124 — не единственный изотоп, для которого подтвержден механизм распада через двойной электронный захват. Физики Бакcанской нейтринной обсерватории описали в 2013 году двойной электронный захват у криптона-78 с временем полураспада порядка 1,9×1022 лет. Однако статистическая погрешность результата российских ученых примерно в два раза хуже, чем у XENON1T. Также на основе геохимических данных возможность двойного электронного захвата была показана для изотопа бария-130.

Еще большим временем полураспада, 7,7×1024 лет, обладает другой изотоп, распадающийся через двойной бета-распад — теллур-128. Однако эта граница установлена косвенно, геохимическими методами.

Владимир Королев