Di dalam sebuah gunung di tengah Itali, saintis meletakkan perangkap untuk masalah gelap. Umpan? Sebuah tangki logam besar yang mengandungi 3.5 ton (3,200 kilogram) xenon cecair tulen. Gas mulia ini adalah salah satu zat yang terbersih, paling tahan radiasi di Bumi, menjadikannya sasaran ideal untuk menangkap beberapa interaksi zarah paling jarang di alam semesta.
Semuanya berbunyi samar-samar jahat; kata Christian Wittweg, calon kedoktoran di University of Münster di Jerman, yang telah bekerja dengan kolaborasi Xenon yang disebut selama setengah dekad, akan bekerja setiap hari merasakan "membayar penjahat Bond." Setakat ini, para penyelidik di kediaman gunung tidak menangkap apa-apa perkara yang gelap. Tetapi baru-baru ini mereka berjaya mengesan salah satu interaksi zarah paling jarang di alam semesta.
Menurut kajian baru yang diterbitkan hari ini (24 April) dalam jurnal Nature, pasukan lebih dari 100 penyelidik mengukur, buat pertama kalinya, pelepasan atom xenon-124 menjadi atom tellurium 124 melalui proses yang sangat jarang disebut menangkap dua elektron dua elektron. Jenis kerosakan radioaktif ini berlaku apabila nukleus atom menyerap dua elektron dari luar elektron shell secara serentak, dengan itu melepaskan dos dua zarah hantu yang dipanggil neutrino.
Dengan mengukur keruntuhan unik ini di makmal untuk pertama kalinya, para penyelidik dapat membuktikan dengan tepat betapa jarangnya reaksinya dan berapa lama ia memerlukan xenon-124 untuk mereput. Separuh hayat xenon-124 - iaitu, purata masa yang diperlukan untuk sekumpulan atom xenon-124 untuk berkurang separuh - adalah sekitar 18 tahun (1.8 x 10 ^ 22 tahun), kira-kira 1 trilion kali umur semasa alam semesta.
Ini menandakan separuh hayat terpanjang yang pernah diukur secara langsung dalam makmal, tambah Wittweg. Hanya satu proses merosakkan nuklear di alam semesta yang mempunyai tempoh separuh hayat yang lebih lama: pembengkakan tellurium-128, yang mempunyai separuh hayat lebih daripada 100 kali lebih lama daripada xenon-124. Tetapi peristiwa langka ini hanya dihitung di atas kertas.
Kerosakan berharga
Seperti halnya pereputan radioaktif yang lebih biasa, penangkapan elektron dua neutrino berlaku apabila atom kehilangan tenaga sebagai nisbah proton dan neutron dalam perubahan nukleus atom. Walau bagaimanapun, proses ini lebih banyak daripada mod peluruhan yang lebih biasa dan bergantung kepada satu siri "kebetulan raksasa," kata Wittweg. Mempunyai tan liter atom xenon untuk bekerja dengan membuat kemungkinan kesimpulan ini semakin besar kemungkinannya.
Begini cara kerjanya: Semua atom xenon-124 dikelilingi oleh 54 elektron, berputar di cangkang kabur di sekeliling nukleus. Penangkapan dua elektron dua-neutrino berlaku apabila dua daripada elektron tersebut, dalam cangkang dekat dengan nukleus, serentak berpindah ke dalam nukleus, menembusi satu proton sesama dan menukarkan proton tersebut menjadi neutron. Sebagai produk sampingan penukaran ini, nukleus meludahkan dua neutrinos, zarah subatomus sukar difahami tanpa sebarang caj dan hampir tiada jisim yang hampir tidak pernah berinteraksi dengan apa-apa.
Mereka neutrinos terbang ke ruang angkasa, dan saintis tidak dapat mengukur mereka kecuali mereka menggunakan peralatan yang sangat sensitif. Untuk membuktikan bahawa peristiwa penangkapan elektron dua neutrino telah berlaku, pengkaji Xenon bukannya melihat ruang kosong yang tertinggal dalam atom pembusukan.
"Selepas elektron ditangkap oleh nukleus, terdapat dua kekosongan yang tersisa dalam cangkang atom," kata Wittweg. "Kekosongan itu diisi dari cengkerang yang lebih tinggi, yang menghasilkan lekapan elektron dan sinar-X."
Mereka deposit sinar X-ray dalam pengesan, yang mana penyelidik dapat melihat dengan jelas dalam data eksperimen mereka. Selepas satu tahun pemerhatian, pasukan itu mengesan hampir 100 contoh atom xenon-124 yang melemahkan cara ini, memberikan keterangan langsung pertama proses itu.
Pengesanan baru proses pereputan kedua yang paling jarang di alam semesta tidak meletakkan pasukan Xenon lebih dekat untuk mencari perkara yang gelap, tetapi ia membuktikan kepelbagaian pengesan. Langkah seterusnya dalam eksperimen pasukan melibatkan pembinaan tangki xenon yang lebih besar - yang mampu menahan lebih dari 8.8 ton (8,000 kg) cecair - untuk menyediakan lebih banyak peluang untuk mengesan interaksi yang jarang berlaku, kata Wittweg.
