暗物质探测器探测到了半衰期长达18万亿年的原子氙-124

作者: 加拿大28预测  发布:2019-11-08

科罗拉多州立大学物理学教授比尔·费尔班克和实验室的单原子成像设备。图片:John Eisele/Colorado State University

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。

如果衰变只产生两个电子和一个钡原子,则表明可能发生了无中子双β衰变。只有当中微子本身是相等的反粒子时,这才可能发生——科学家想通过这些实验来回答这个突出的问题。证实这种无中子衰变将是历史性的,需要更新粒子物理学的标准模型。此外,测量到的衰变半衰期将有助于科学家间接测量中微子绝对质量——这是一项史无前例的壮举。最后,如果没有中微子的双β衰变确实存在,科学家可以利用这些信息来了解为什么宇宙中有这么多物质,而反物质却那么少。到目前为止,EXO-200探测器已经产生了正确能量的衰变事件,但并没有超过从测量探测器背景中预期的确切过剩。在EXO-200中两年内经历了大约40次衰变事件,但我们无法确切说出其中有多少。

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。

就像在一堆看起来一样的大理石中进行筛选一样,区分真实衰变和相似背景事件一直是研究人员的中心问题。这就是费尔班克钡标签的作用。如果钡标记在目前正在设计nEXO探测器的后续升级中成功实施,该探测器对无中子双β衰变的灵敏度可提高至多4倍。这将是对价值数百万美元的nEXO实验的重大升级。如果观察到一个积极信号,科学家可以使用钡标记来确定已经看到了他们正在寻找的衰变。钡标记工作是由国家科学基金会激励计划资助,国家科学基金会的物理学家John Gillaspy说:想到这些实验是如此的敏感,真是令人惊讶。在30年前的实验中,我发现寻找‘百万分之一’的外来原子很有挑战性。

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。

图片 1

原子核驱逐其质量的时候,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。

图片 2

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。

图片 3

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。

这项新研究寻找的是比这更稀有1000万倍的原子,物理和化学已经取得了很大的进步。我很兴奋地想到费尔班克和同事们最终可能会发现使用这种新技术,因为它有潜力真正改变我们对现实本质的认识。费尔班克团队在《自然》wiki上描述了如何使用低温探针来冷冻钡原子的“子体”。钡原子是由探针末端的同位素氙-136

In固体氙的放射性衰变产生。然后用激光荧光照亮现在固态氙中的单个钡原子。费尔班克说:当我们得到单个钡原子的图像时,团队非常兴奋,费尔班克的单原子标记技术也可以推广到其他应用领域,包括核物理、光学物理和化学。

图片 4

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

在2019年4月29日发表在《自然》上的一项新突破中费尔班克团队为一种名为钡标记的单原子照明策略奠定了基础,他们的成就是已知第一个固态惰性气体中单个原子的成像。钡标记可能被证明是一项关键技术,可以在未来看到无中子双β衰变,升级的实验称为nEXO。至关重要的是,钡标记将使科学家们能够通过将真实事件与背景冒名者信号分离开来,清楚地确定双β衰变的单原子副产品。EXO-200粒子探测器位于新墨西哥州卡尔斯巴德地下半英里处,里面装满了370磅重的液态同位素富集氙原子。有时,不稳定的氙同位素会发生放射性衰变,释放两个电子和两个中微子,把氙原子变成钡原子。

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。

图片 5

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《自然》期刊上。原标题为:《Observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T》

本文由加拿大28预测发布于加拿大28预测,转载请注明出处:暗物质探测器探测到了半衰期长达18万亿年的原子氙-124

关键词:

上一篇:没有了
下一篇:没有了