暗物质探测器测量的氙-124的半衰期比宇宙年龄还长

2022-02-25 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:844 /
内容摘要:
过程的半衰期是指样品中一半的放射性核衰变后的时间。使用XENON1T暗物质探测器,一个1300公斤重的超纯液态氙桶,在意大利格兰萨索山下1.5公里深的水中浸没的低温恒温器中屏蔽宇宙射线,氙合作组织的物理学家第一次能够观察到氙-124原子核的衰变。氙-124的半衰期大约是宇宙年龄的......

过程的半衰期是指样品中一半的放射性核衰变后的时间。使用XENON1T暗物质探测器,一个1300公斤重的超纯液态氙桶,在意大利格兰萨索山下1.5公里深的水中浸没的低温恒温器中屏蔽宇宙射线,氙合作组织的物理学家第一次能够观察到氙-124原子核的衰变。氙-124的半衰期大约是宇宙年龄的一万亿倍。这使得观察到的放射性衰变& # 8212;氙-124的所谓双电子俘获& # 8212;探测器中发生的最罕见的过程。

One photodetector array of the XENON1T detector seen through the other. Image credit: XENON Collaboration.

通过另一个探测器看到的XENON1T探测器的一个光电探测器阵列。影像学分:氙合作。

不是所有的原子都是稳定的。根据它们的构成,有些会通过释放亚原子粒子并变成不同元素的原子来稳定自己。一个叫做放射性衰变的过程。

我们对铀和钚等放射性元素更加熟悉。这些是放射性元素的疯狂少年,不断地抛出粒子。例如,氡-222的半衰期只有四天。

然而,有些元素衰变得非常慢。氙-124就是这样一位元老,尽管物理学家估计其半衰期为160万亿年,因为它会衰变为碲-124。宇宙被认为只有1300万到1400万年的历史。新的发现使氙-124的半衰期接近18个六年。

“半衰期并不意味着每个原子衰变需要那么长时间。莱斯大学的物理学家、氙合作组织的成员克里斯托弗·隧道尔博士说:“这个数字只是简单地表明,平均来说,大部分放射性物质需要多长时间才能自行减少一半。

“然而,氙-124发生这种事件的可能性微乎其微& # 8212;除非人们收集到足够多的氙原子,并把它们放在“地球上最纯净的地方。”这里的一个关键点是我们有这么多原子,所以如果有衰变,我们会看到它。我们有大量的材料。"

“我们实际上看到了这种衰退的发生。这是有史以来直接观测到的最长、最慢的过程,我们的暗物质探测器足够灵敏,可以测量它,”伦斯勒理工学院物理学家、氙合作组织成员伊森·布朗博士说。

“目睹这一过程令人惊叹,它说我们的探测器可以测量有史以来最罕见的东西。”

Schematic of two-neutrino double electron capture: in this process, the nucleus captures two atomic-shell electrons (black), usually from the K shell, and simultaneously converts two protons (red) to neutrons (white); two neutrinos (black) are emitted in the nuclear process and carry away most of the decay energy while the atomic shell is left in an excited state with two holes in the K shell; a cascade of X-rays (red, ‘X’) and Auger electrons (red, ‘e’) are emitted during atomic relaxation, when the K shell is refilled from the higher-energy L, M and N shells; in turn, vacancies are created in the refilling shells and are refilled with electrons from the higher-energy shells (arrows). Image credit: XENON Collaboration.

双中微子双电子捕获示意图:在这个过程中,原子核捕获两个原子壳层电子(黑色),通常来自K壳层,同时将两个质子(红色)转化为中子(白色);两个中微子(黑色)在核过程中发射,带走大部分衰变能,而原子壳层则与K壳层中的两个空穴留在激发态;在原子弛豫过程中,当K壳层被较高能量的L、M和N壳层重新填充时,会发出一连串的X射线(红色‘X’)和俄歇电子(红色‘e’);反过来,在再填充壳层中产生空位,并用来自更高能量壳层的电子再填充(箭头)。影像学分:氙合作。

氙衰变的证据是由氙原子原子核内的质子转化为中子而产生的。在大多数易衰变的元素中,当一个电子被拉入原子核时,就会发生这种情况。但是氙原子中的两个质子必须同时吸收两个电子才能转化成两个中子,这种现象被称为双电子俘获。

布朗博士说:“双电子捕获只有在两个电子恰好在正确的时间靠近原子核时才会发生,这是一种罕见的东西乘以另一种罕见的东西,使它变得极其罕见。

当这种极端罕见的情况发生时,探测器内部发生了双电子俘获,仪器接收到原子中电子的信号,重新排列以取代被吸收到原子核中的两个电子。

“双俘获中的电子从原子核周围最里面的壳层中被移除,这在壳层中创造了空间。剩余的电子坍缩到基态,我们在探测器中看到了这种坍缩过程,”布朗博士说。

苏黎世大学天体粒子物理学家、XENON协作组成员Laura Baudis教授说:“新的结果表明,XENON1T探测器能够很好地探测非常罕见的过程,并拒绝背景信号。

“虽然在双电子俘获过程中发射了两个中微子,但我们现在也可以搜索所谓的无中微子双电子俘获,这可能会揭示有关中微子性质的重要问题。”

研究结果发表在4月25日的《自然》杂志上。

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E.Aprile等人(氙合作)。2019.用XENON1T观测124Xe中的双中微子双电子俘获。自然568:532-535;doi:10.1038/s 14586-019-1124-4


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