Comment observez-vous un processus qui prend plus de mille milliards de fois plus longtemps que l'âge de l'univers ? L'équipe de recherche de la collaboration XENON l'a fait avec un instrument conçu pour trouver la particule la plus insaisissable de l'univers :la matière noire. Dans un article à paraître demain dans la revue La nature , des chercheurs annoncent avoir observé la désintégration radioactive du xénon-124, qui a une demi-vie de 1,8 X 10 ²² années.

"Nous avons vu cette décomposition se produire. C'est la plus longue, processus le plus lent jamais observé directement, et notre détecteur de matière noire était assez sensible pour le mesurer, " a déclaré Ethan Brown, professeur assistant de physique à Rensselaer, et co-auteur de l'étude. "C'est incroyable d'avoir été témoin de ce processus, et il dit que notre détecteur peut mesurer la chose la plus rare jamais enregistrée."

La collaboration XENON utilise XENON1T, un 1, Cuve de 300 kilogrammes de xénon liquide super pur à l'abri des rayons cosmiques dans un cryostat immergé dans l'eau profonde 1, 500 mètres sous les montagnes du Gran Sasso en Italie. Les chercheurs recherchent la matière noire (qui est cinq fois plus abondante que la matière ordinaire, mais interagit rarement avec la matière ordinaire) en enregistrant de minuscules éclairs de lumière créés lorsque des particules interagissent avec le xénon à l'intérieur du détecteur. Et tandis que XENON1T a été conçu pour capturer l'interaction entre une particule de matière noire et le noyau d'un atome de xénon, le détecteur capte en fait les signaux de toute interaction avec le xénon.

La preuve de la désintégration du xénon a été produite sous la forme d'un proton à l'intérieur du noyau d'un atome de xénon converti en neutron. Dans la plupart des éléments sujets à la décomposition, cela se produit lorsqu'un électron est attiré dans le noyau. Mais un proton dans un atome de xénon doit absorber deux électrons pour se convertir en neutron, un événement appelé " double capture d'électrons ".

La capture de double électron ne se produit que lorsque deux des électrons sont juste à côté du noyau au bon moment, Brown a dit, qui est "une chose rare multipliée par une autre chose rare, ce qui le rend ultra-rare."

Quand l'ultra-rare est arrivé, et une double capture d'électrons s'est produite à l'intérieur du détecteur, les instruments ont capté le signal des électrons dans l'atome en se réorganisant pour remplacer les deux qui ont été absorbés dans le noyau.

"Les électrons en double capture sont retirés de l'enveloppe la plus interne autour du noyau, et cela crée de la place dans cette coquille, " a déclaré Brown. " Les électrons restants s'effondrent à l'état fondamental, et nous avons vu ce processus d'effondrement dans notre détecteur."

C'est la première fois que des scientifiques mesurent la demi-vie de cet isotope du xénon sur la base d'une observation directe de sa désintégration radioactive.

"C'est une découverte fascinante qui fait avancer les frontières de la connaissance sur les caractéristiques les plus fondamentales de la matière, " dit Curt Breneman, doyen de l'École des sciences. « Le travail du Dr Brown pour calibrer le détecteur et s'assurer que le xénon est nettoyé au plus haut niveau de pureté possible a été essentiel pour faire cette observation importante. »

La collaboration XENON comprend plus de 160 scientifiques d'Europe, les États Unis, et le Moyen-Orient, et, depuis 2002, a exploité trois détecteurs de xénon liquide successivement plus sensibles dans le laboratoire national du Gran Sasso en Italie. XENON1T, le plus grand détecteur de ce type jamais construit, données acquises de 2016 à décembre 2018, quand il était éteint. Les scientifiques améliorent actuellement l'expérience pour la nouvelle phase XENONnT, qui comportera une masse de détecteur actif trois fois plus grande que XENON1T. Avec un niveau de fond réduit, cela augmentera la sensibilité du détecteur d'un ordre de grandeur.