イタリア中部の山の奥深くで、科学者たちは暗黒物質の罠を仕掛けています。餌？ 3.5トン（3,200キログラム）の純粋な液体キセノンが満載の大きな金属タンク。この希ガスは、地球上で最もクリーンで最も耐放射線性の高い物質の1つであり、宇宙で最も希少な粒子相互作用の一部を捕捉するための理想的なターゲットになっています。
それはすべて漠然と不吉に聞こえます。いわゆるキセノンの共同研究に半年間携わってきたドイツのミュンスター大学の博士候補であるクリスチャンウィットウェグ氏は、毎日働くことは「ボンドの悪人に訪問を支払う」ような気分だと語った。これまでのところ、山岳地帯に住む研究者たちは暗黒物質を捕捉していません。しかし、彼らは最近、宇宙で最もまれな粒子相互作用の1つを検出することに成功しました。
ジャーナルNatureで本日（4月24日）に発表された新しい研究によると、100人以上の研究者のチームが初めて、キセノン124原子のテルル124原子への崩壊を、 2ニュートリノの二重電子捕獲。このタイプの放射性崩壊は、原子の原子核がその外側の電子殻から同時に2つの電子を吸収し、それによってニュートリノと呼ばれる二重の線量の幽霊粒子を放出するときに発生します。
研究室でこのユニークな減衰を初めて測定することにより、研究者は、反応がどれほどまれであり、キセノン-124が減衰するのにかかる時間を正確に証明することができました。キセノン124の半減期（つまり、キセノン124原子のグループが半分になるまでに必要な平均時間）は、約18セクティリオン年（1.8 x 10 ^ 22年）で、現在の年齢の約1兆倍です宇宙の。
これは、ラボで直接測定された単一の最長半減期を示しています、とWittwegが付け加えました。宇宙の1つの核崩壊プロセスだけがより長い半減期を持っています：テルル128の崩壊は、キセノン124の100倍以上の半減期を持っています。しかし、この非常にまれな出来事は紙で計算されただけです。
貴重な腐敗
放射性崩壊のより一般的な形式と同様に、原子核内の陽子と中性子の比率が変化して原子がエネルギーを失うと、2ニュートリノの二重電子捕獲が発生します。ただし、このプロセスは一般的な減衰モードよりも厳格であり、一連の「巨大な偶然性」に依存している、とウィットウェグ氏は語った。処理するキセノン原子の文字通りのトンがあると、これらの偶然の一致の確率がはるかに高くなります。
仕組みは次のとおりです。すべてのキセノン124原子は54個の電子に囲まれ、核の周りのかすんでいるシェルで回転します。 2ニュートリノの二重電子捕獲は、核に近い殻にあるそれらの電子のうちの2つが同時に核に移動し、1つの陽子に衝突し、それらの陽子を中性子に変換するときに発生します。この変換の副産物として、核は2つのニュートリノを放出します。ニュートリノとは、ほとんど何も相互作用しない、電荷も質量もほとんどない、とらえどころのない素粒子です。
それらのニュートリノは宇宙へ飛んでいき、科学者は非常に敏感な装置を使わなければそれらを測定することができません。 2つのニュートリノの二重電子捕獲イベントが発生したことを証明するために、キセノンの研究者たちは代わりに崩壊する原子に残された空の空間を調べました。
「電子が原子核に捕獲された後、原子殻には2つの空孔が残っている」とウィットウィックは言った。 「これらの空孔は、より高い殻から満たされ、電子とX線のカスケードを作成します。」
これらのX線は、検出器にエネルギーを蓄積します。これは、研究者が実験データではっきりと見ることができます。 1年間の観察の結果、この方法で崩壊するキセノン124原子のインスタンスが100個近く検出され、プロセスの最初の直接的な証拠が得られました。
宇宙での2番目に稀な崩壊過程のこの新しい検出は、キセノンチームを暗黒物質の検出に近づけることはしませんが、検出器の汎用性を証明します。チームの実験の次のステップは、さらに大きなキセノンタンク（8.8トン（8,000 kg）を超える液体を保持できる）を構築して、まれな相互作用を検出するさらに多くの機会を提供することです。
