暗物质合作观察到有记录的稀有事件

时间：2022-02-17 14:25:08 来源：

XENON1T暗物质合作观察到Xenon-124的放射性衰变，其半衰期为1.8 X 1022年。氙气124的半衰期是宇宙年龄的1万亿倍。

您如何看待一个比宇宙寿命长一万亿倍的过程？XENON Collaboration研究团队使用一种旨在发现宇宙中最难以捉摸的粒子-暗物质的仪器进行了此操作。在明天发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员宣布他们已经观察到氙气124的放射性衰变，氙气124的半衰期为1.8 X 1022年。

“我们实际上看到了这种衰减的发生。该研究的合著者，伦斯勒物理学助理教授埃森·布朗说：“这是迄今为止直接观察到的最长，最慢的过程，我们的暗物质检测器足够灵敏，可以对其进行测量。”“目睹这一过程真是太神奇了，它说我们的探测器可以测量到有史以来最稀有的东西。”

XENON协作网运行XENON1T，这是一个重达1300公斤的超纯液态氙，该液态氙在低温恒温器中被宇宙射线屏蔽，该恒温器浸没在意大利Gran Sasso山脉下方1500米深的水中。研究人员通过记录当粒子与探测器内部的氙气相互作用时产生的微小闪光来搜索暗物质（暗物质的含量是普通物质的五倍，但很少与普通物质相互作用）。虽然XENON1T是为捕获暗物质粒子与氙原子核之间的相互作用而构建的，但检测器实际上是从与氙的任何相互作用中拾取信号的。

氙衰变的证据是作为质子产生的，该质子在氙原子的原子核内转化为中子。在大多数会衰减的元素中，当一个电子被拉入原子核时就会发生这种情况。但是氙原子中的质子必须吸收两个电子才能转化为中子，这一事件称为“双电子捕获”。

布朗说，只有在正确的时间两个电子紧挨着原子核时才发生双电子捕获，这是“稀有物乘以另一稀有物，使其变得超稀有”。

当发生超稀有物质并在探测器内部发生双电子捕获时，仪器会拾取重新排列的原子中的电子信号，以填充被吸收到原子核中的两个电子。

布朗说：“双重捕获的电子从原子核周围最内层的壳中移出，并在该壳中创造了空间。”“剩余的电子塌陷到基态，我们在探测器中看到了这种塌陷过程。”

这项成就是科学家首次根据对氙放射性放射性衰变的直接观察来测量该氙同位素的半衰期。

“这是一个令人着迷的发现，它推动了有关物质最基本特征的知识前沿，”科学学院院长柯特·布雷尼曼（Curt Breneman）说。“博士布朗在校准检测器并确保将氙气擦洗至最高纯度标准方面的工作对于进行这一重要观察至关重要。”

XENON协作组织包括来自欧洲，美国和中东的160多名科学家，自2002年以来，已在意大利的Gran Sasso国家实验室中连续运行了三台灵敏度更高的液体氙探测器。XENON1T是有史以来最大的同类探测器，它从2016年到2018年12月（关闭时）都采集了数据。科学家目前正在对新的XENONnT相进行实验升级，该相将具有比XENON1T大三倍的有源探测器质量。加上降低的背景水平，这将使检测器的灵敏度提高一个数量级。

布朗参与该项目的资金来自国家科学基金会的资助。

出版物：XENON协作，“使用XENON1T观察124Xe中的两个中微子双电子俘获”，自然卷568，第532–535页（2019年）

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