暗物质探测器探测到了半衰期长达18万亿年的原子氙【新闻&资讯】
2023-02-02 来源：雅安机械信息网
日前，国内外媒体争相报道了暗物质探测器领域的一个重磅，因为科学家们罕见地探测到了半衰期长达 1.8×10^22 年（约为18万亿年）的氙同位素衰变，大约是目前宇宙年龄的1万亿倍。换句话说，如果6500万年前恐龙灭绝时，有100个氙-124原子，从统计学上讲，所有这100个原子今天都还在那里。这是在实验室中直接测量到的最长半衰期。此前，“氙-124”半衰期已被认为是约 160 万亿年，但在新的观察结果面前，那也不过是“弹指一瞬间”。
据悉，半衰期是材料稳定性的一个衡量标准，表明了预期半数原子衰变所需的时间。根据2019年4月24日发表在《自然》上的一项新研究，由100多名研究人员组成的研究小组首次测量了氙-124原子通过一种极其罕见的过程（双中微子双电子俘获）衰变为碲-124原子的过程。当一个原子的原子核同时从外电子层吸收两个电子时，就会发生这种放射性衰变，从而释放出两倍剂量，被称为中微子的幽灵粒子。通过首次在实验室中测量这种独特的衰变，研究人员能够精确地证明氙-124反应有多罕见，以及衰变需要多长时间。
氙同位素半衰期实验主罐体（图自：The Xenon Collaboration）
宇宙中只有一个核衰变过程的半衰期更长：碲-128的衰变，它的半衰期是氙-124的100多倍。但这一极为罕见的事件只是在纸上计算出来
珍贵的衰变
与更常见的放射性衰变形式一样，当原子核中质子和中子的比例发生变化，原子失去能量时，就会发生双中微子双电子俘获。然而，这一过程比更常见的衰变模式要挑剔得多，而且取决于一系列“巨大的巧合”。大量氙原子的存在使得这些巧合发生的可能性大大增加。氙-124原子都被54个电子包围着，在围绕原子核的朦胧外壳中旋转。双中微子双电子捕获发生在靠近原子核的壳层中，其中两个电子同时进入原子核，分别撞击一个质子，并将这些质子转化为中子。
作为这种转换的副产品，原子核会喷出两个中微子，这是一种难以捉摸的亚原子粒子，不带电荷，几乎没有质量，几乎从不与任何东西发生作用。这些中微子飞向太空，科学家们无法测量它们，除非使用极其敏感的设备。为了证明双中微子双电子捕获事件已经发生，氙研究人员转而研究了衰变原子中留下的空白。电子被原子核俘获后，原子壳层还剩下两个空位。这些空缺是由更高的壳层填补，这就产生了电子和x射线的级联。
这些x射线在探测器中储存能量，研究人员可以从实验数据中清楚地看到。经过一年的观察，研究小组发现了近100个氙-124原子以这种方式衰变的例子，为这一过程提供了第一个直接证据。这个对宇宙中第二稀有衰变过程的新发现，并没有让氙团队离发现暗物质更近一步，但它确实证明了探测器的通用性。
由于半衰期久得不可思议，对其衰变的观测，也显得极为罕见。为增加观测的几率，科学家们只能想办法囤积超大数量的氙同位素。研究成员们准备了暗物质探测器，里面装满了1.3 吨（，866 磅）液态氙。容器外设置了极其敏感的探测器，以观察衰变事件发射出来的光子和其它粒子。
Christopher Tunnell 与 XENON1T 装置的合影（via：Rice University）
在对为期一年的数据进行分类后，研究人员们找到了数十起此类衰变报告。在物理学上，这类事件被称作电子俘获（Electron Capture）。当一个电子进入原子核后，质子变成了中子，这就是一次衰变。然而在此例中，研究人员首次观察到了神奇的‘双电子俘获’现象。
研究合著者 Christopher Tunnell 表示：“正常情况下，会有一个电子进来，然后一个中微子出去”。
原子核驱逐其质量（中微子）的时候，所涉及的能量是是一个固定值。在核粒子物理学中，这是一个相当常见、且易于理解的过程。
但是此前，我们从未见过有两个电子同时进入原子核，并挤出两个中微子。
需要指出的是，尽管这项发现极具开创性，但这其实并不是 XENON1T 实验的主要目标。据悉，XENON1T 实验旨在找寻暗物质存在的线索。这种难以捉摸的物质，占据了宇宙总质量的大头（与普通物质的比例可达 5:1）。
科学家们原本希望，这些实验能够帮助观察到罕见的‘暗物质与正常物质的相互作用’事件。但没想到歪打正着，让研究人员得出了其它有趣的结论。
有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《自然》（Nature）期刊上。原标题为：《Observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T》