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暗物质探测器探测到了半衰期长达18万亿年的原子氙《资讯》

发布时间:2020-08-17 13:40:02 阅读: 来源:滚焊机厂家

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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新闻,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》

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