في عمق جبل في وسط إيطاليا ، يضع العلماء فخًا للمادة المظلمة. الطعم؟ خزان معدني كبير مليء 3.5 طن (3200 كجم) من الزينون السائل النقي. هذا الغاز النبيل هو واحد من أنظف وأكثر المواد المقاومة للإشعاع على الأرض ، مما يجعله هدفًا مثاليًا لالتقاط بعض أندر تفاعلات الجسيمات في الكون.
يبدو كل شيء شريرًا غامضًا. قال كريستيان ويتويج ، مرشح الدكتوراه في جامعة مونستر في ألمانيا ، والذي عمل مع ما يسمى بالتعاون Xenon لمدة نصف عقد ، إن الذهاب إلى العمل كل يوم يبدو وكأنه "يقوم بزيارة شرير بوند". حتى الآن ، لم يكتشف باحثو المناطق الجبلية أي مادة مظلمة. لكنهم نجحوا مؤخرًا في اكتشاف واحد من أندر تفاعلات الجسيمات في الكون.
وفقًا لدراسة جديدة نُشرت اليوم (24 أبريل) في مجلة Nature ، قام الفريق المكون من أكثر من 100 باحث بقياس ، لأول مرة على الإطلاق ، اضمحلال ذرة زينون -124 في ذرة تيلوريوم 124 من خلال عملية نادرة للغاية تسمى إلكترون ثنائي نيوترينو مزدوج. يحدث هذا النوع من الاضمحلال الإشعاعي عندما تمتص نواة الذرة إلكترونين من غلافها الإلكتروني في وقت واحد ، وبالتالي تطلق جرعة مزدوجة من الجسيمات الشبحية تسمى النيوترينو.
من خلال قياس هذا الاضمحلال الفريد في المختبر لأول مرة ، تمكن الباحثون من إثبات بدقة مدى ندرة التفاعل وكم من الوقت يستغرق الزينون -124 للتحلل. عمر النصف لـ xenon-124 - أي متوسط الوقت المطلوب لتقليص ذرات xenon-124 بمقدار النصف - حوالي 18 sextillion سنة (1.8 x 10 ^ 22 سنة) ، تقريبًا 1 تريليون مرة من العمر الحالي الكون.
وأضاف ويتويج أن هذا يمثل أطول نصف عمر فردي يتم قياسه مباشرة في المختبر. عملية تحلل نووي واحدة فقط في الكون لها نصف عمر أطول: تحلل التيلوريوم 128 ، الذي له نصف عمر أطول من 100 مرة من زينون 124. ولكن هذا الحدث النادر يختفي تم حسابه على الورق فقط.
اضمحلال ثمين
كما هو الحال مع الأشكال الأكثر شيوعًا للانحلال الإشعاعي ، يحدث التقاط الإلكترون المزدوج ثنائي النيوترين عندما تفقد الذرة الطاقة مع تغير نسبة البروتونات والنيوترونات في النواة الذرية. ومع ذلك ، فإن العملية أكثر صعوبة من أوضاع الاضمحلال الأكثر شيوعًا وتعتمد على سلسلة من "الصدفات العملاقة" ، على حد قول Wittweg. إن وجود أطنان حرفية من ذرات الزينون للعمل معها جعلت احتمالات هذه المصادفات تصطف على الأرجح.
وإليك كيف تعمل: جميع ذرات الزينون -124 محاطة بـ 54 إلكترونًا ، تدور في قذائف ضبابية حول النواة. يحدث التقاط الإلكترون ثنائي النيوترينو عندما يهاجر اثنان من هذه الإلكترونات ، في قذائف قريبة من النواة ، في نفس الوقت إلى النواة ، ويتحطمان في قطعة بروتون واحدة ويحولان هذه البروتونات إلى نيوترونات. كمنتج ثانوي لهذا التحويل ، فإن النواة تبصق اثنين من النيوترينوات ، الجسيمات تحت الذرية المراوغة بدون شحنة ولا كتلة تقريبا لا تتفاعل مع أي شيء تقريبًا.
تطير هذه النيوترينوات إلى الفضاء ، ولا يستطيع العلماء قياسها ما لم يستخدموا معدات حساسة للغاية. لإثبات حدوث حدث التقاط مزدوج الإلكترون ثنائي النيوترينوات ، نظر باحثو Xenon بدلاً من ذلك إلى المساحات الفارغة التي خلفتها في ذرة الانحلال.
وقال ويتويج "بعد أن تلتقط النواة الإلكترونات ، يتبقى شاغران في القشرة الذرية". "تمتلئ هذه الوظائف الشاغرة من قذائف أعلى ، مما يخلق سلسلة من الإلكترونات والأشعة السينية."
هذه الأشعة السينية تودع الطاقة في الكاشف ، والتي يمكن للباحثين رؤيتها بوضوح في بياناتهم التجريبية. بعد عام واحد من الملاحظات ، اكتشف الفريق ما يقرب من 100 حالة من ذرات زينون 124 تتحلل بهذه الطريقة ، مما يوفر أول دليل مباشر على العملية.
هذا الاكتشاف الجديد لأندر عملية انحلال في الكون لا يجعل فريق Xenon أقرب إلى العثور على المادة المظلمة ، ولكنه يثبت تعدد استخدامات الكاشف. وقال ويتويج إن الخطوة التالية في تجارب الفريق تتضمن بناء خزان زينون أكبر - هذا الخزان قادر على حمل أكثر من 8.8 طن (8000 كجم) من السائل - لتوفير المزيد من الفرص لاكتشاف التفاعلات النادرة.
