Az 1960-as évek óta a tudósok elmélet szerint a világegyetem rejtélyes, láthatatlan tömeggel van tele. A „sötét anyag” néven ismert, ez a tömeg becslések szerint körülbelül 85% -át teszi ki az univerzumban levő anyagnak, és az energia sűrűségének egynegyedét. Noha ezt a tömeget közvetett módon megfigyelték és tanulmányozták, a valós természetének meghatározására irányuló kísérletek eddig kudarcot vallottak.
Ennek megoldására több kísérletet végeznek, amelyek rendkívül kifinomult eszközökre támaszkodnak. Ezek közül az egyik, a XENON néven, nemrégiben megfigyelt egy olyan folyamatot, amely korábban elkerülte a többszörös észlelési kísérleteket. Ezek az eredmények segítséget nyújthatnak a tudósoknak a neutrínók megértésének javításában, amely egyes tudósok szerint a sötét anyagból épül fel.
Az eredmények (XENON1T) egy olyan tanulmány részeként jelentek meg, amelyet nemrégiben tettek közzé a folyóiratban Természet. A XENON mintegy 160 tudós közös kísérleti projektje Európából, az Egyesült Államokból és a Közel-Keletről. Jelenleg a Columbia Egyetemen prof. Elena Aprile vezet, és az olaszországi Gran Sasso Nemzeti Laboratórium (LNGS) üzemelteti.
Más sötét anyag kísérletekhez hasonlóan célja a sötét anyag részecskék kimutatása, amelyeket gyengén kölcsönhatásba lépő masszív részecskékként (WIMPS) ismertek. Ebből a célból a létesítmény mélyen a föld alatt található, hogy elkerülje az egyéb neutrinoforrások (ideértve a Napunk rendszeresen létrehozott Naprendszeri neutrínóit és a kozmikus neutrinókat) zavarását.
A XENON kísérlet esetében ez magában foglalja a Xenon-124 folyadékkal töltött kamra megfigyelését a részecskék kölcsönhatásának jeleire. Ezek a jelek a sötét anyag jelölt részecskéinek mindenkori közvetlen kísérleti bizonyítékát szolgáltatnák. És bár az első eredmények nem erősítették meg a sötét anyag létezését, első ízben figyelték meg a Xenon-124 atommagok bomlását.
Számos okból ez óriási eredmény. Amellett, hogy történelmi első, a Xenon-124-re mért felezési idő kb. Trilliószor hosszabb, mint maga az univerzum kora (13,8 milliárd év). Ez teszi lehetővé az általuk megfigyelt radioaktív bomlást - a Xenon-124 úgynevezett kettős elektron-elfogását - a legritkább folyamatban, amelyet valamely detektorban megfigyeltek.
Ahogyan Christian Weinheimer - a Münsteri Egyetemen dolgozó professzor, akinek a csoportja vezette a tanulmányt - egy XENON sajtóközleményben kifejtette:
"Az a tény, hogy sikerült megfigyelnünk ezt a folyamatot, közvetlenül azt mutatja, hogy valóban milyen hatékony a detektálási módszerünk - olyan jelek esetében is, amelyek nem a sötét anyagból származnak."
Ennek a folyamatnak a lebontására egy Xenon-124 atom 54 protonból és 70 neutronból áll, amelyeket 54 elektron atomatomok vesznek körül. A kettős elektron-elfogásnak nevezett folyamat során a magban lévő két proton egyidejűleg „elkap” két elektronot a legbelső héjból, átalakítja azokat két neutronná és szétválaszt két neutrinót.
A többi elektron ezután átszerveződik, hogy kitöltse a régét, amely a legbelső héjában jött létre, miközben az energia felszabadul röntgen sugarak formájában, és az úgynevezett „Auger-elektronok”. Ezeket a jeleket azonban nagyon nehéz felismerni, mivel a folyamat nagyon ritka, és rejtve van a természetes radioaktivitás által. Ennek ellenére a XENON együttműködésnek sikerült megtörténnie, köszönhetően az instrumentumokkal kapcsolatos egyéves megfigyeléseknek.
A kettős elektron-elfogás eredményeként kibocsátott röntgen fényjelzést és a szabad elektronokat eredményez a folyékony xenonban. Ezek az elektronok azután a detektor gázzal töltött felső része felé mozogtak, ahol második fényjelet produkáltak, és a kettő közötti időkülönbség megegyezett azzal az idővel, amely az elektronoknak eljut a detektor tetejének eléréséhez.
A tudományos csapat ezt az intervallumot és a kamra érzékelőit felhasználta a kettős elektron-elfogás helyzetének rekonstruálására, miközben a jelerősséggel mérik, hogy mennyi energiát szabadítanak fel. Ez lehetővé tette a tudósok számára, hogy meghatározzák a xenon hihetetlenül hosszú felezési idejét, amelyet 1,8 × 10²² évre számítottak.
Ezek az eredmények hatékonyan demonstrálják a XENON detektorok azon képességét, hogy észleljék a ritka folyamatokat, miközben elutasítják a háttérjeleket. Az új eredmények további vizsgálatokat tehetnek lehetővé a neutrínók vizsgálatában, amelyek az elemi részecskék közül a legkönnyebbek és még mindig nem teljesen ismertek. Ide tartoznak a neutrino tömege, amely még nincs jól korlátozva.
Mint keresztény
„Bizonyítja, hogy ez a sötét anyagokra alkalmazott XENON detektortechnika sokkal sokoldalúbb. Mindezeket a hűvös elemzéseket megkapjuk ... ingyen, miután egy olyan kísérletet készítettünk, amely elég sötét anyag vadászatához szükséges. "
A XENON1T megfigyelési futtatás 2016 és 2018. december között gyűjtött adatokat, ahol frissítés céljából be volt állítva. Amint ezek befejeződtek, a tudományos csapat megkezdi a megfigyelések következő szakaszát. Ez a fázis aktív detektor tömeget mutat, háromszor nagyobb, mint az első kísérlet.
A háttér interferencia csökkentésére tervezett frissítésekkel együtt az érzékelő érzékenységi szintje több nagyságrenddel nagyobb. Ezen a ponton számíthatunk arra, hogy a kísérlet még erősebb fényt fog világítani az Univerzum sötét területein.
