En lo profundo de una montaña en el centro de Italia, los científicos están poniendo una trampa para la materia oscura. ¿El cebo? Un gran tanque de metal lleno de 3.5 toneladas (3,200 kilogramos) de xenón líquido puro. Este gas noble es una de las sustancias más limpias y a prueba de radiación en la Tierra, por lo que es un objetivo ideal para capturar algunas de las interacciones de partículas más raras del universo.
Todo suena vagamente siniestro; dijo Christian Wittweg, candidato a doctorado en la Universidad de Münster en Alemania, que ha trabajado con la llamada colaboración Xenon durante media década, ir a trabajar todos los días se siente como "visitar a un villano de Bond". Hasta ahora, los investigadores que viven en las montañas no han capturado ninguna materia oscura. Pero recientemente lograron detectar una de las interacciones de partículas más raras del universo.
Según un nuevo estudio publicado hoy (24 de abril) en la revista Nature, el equipo de más de 100 investigadores midió, por primera vez, la descomposición de un átomo de xenón-124 en un átomo de teluro 124 a través de un proceso extremadamente raro llamado captura de doble electrón de dos neutrinos. Este tipo de desintegración radiactiva ocurre cuando el núcleo de un átomo absorbe dos electrones de su capa externa de electrones simultáneamente, liberando así una dosis doble de las partículas fantasmales llamadas neutrinos.
Al medir esta descomposición única en un laboratorio por primera vez, los investigadores pudieron demostrar con precisión cuán rara es la reacción y cuánto tarda el xenón-124 en descomponerse. La vida media del xenón-124, es decir, el tiempo promedio requerido para que un grupo de átomos de xenón-124 disminuya a la mitad, es de aproximadamente 18 sextillones de años (1.8 x 10 ^ 22 años), aproximadamente 1 billón de veces la edad actual del universo.
Esto marca la vida media más larga jamás medida directamente en un laboratorio, agregó Wittweg. Solo un proceso de desintegración nuclear en el universo tiene una vida media más larga: la desintegración del telurio-128, que tiene una vida media más de 100 veces más larga que la del xenón-124. Pero este evento cada vez más raro solo se ha calculado en papel.
Una preciosa decadencia
Al igual que con las formas más comunes de desintegración radiactiva, la captura de doble electrón de dos neutrinos ocurre cuando un átomo pierde energía a medida que cambia la proporción de protones y neutrones en el núcleo atómico. Sin embargo, el proceso es mucho más exigente que los modos de descomposición más comunes y depende de una serie de "coincidencias gigantes", dijo Wittweg. Tener toneladas literales de átomos de xenón para trabajar hizo que las probabilidades de que estas coincidencias se alineen sean mucho más probables.
Así es como funciona: todos los átomos de xenón-124 están rodeados por 54 electrones, girando en capas nebulosas alrededor del núcleo. La captura de dos electrones con dos neutrinos se produce cuando dos de esos electrones, en capas cercanas al núcleo, migran simultáneamente hacia el núcleo, chocando en un protón cada uno y convirtiendo esos protones en neutrones. Como subproducto de esta conversión, el núcleo escupe dos neutrinos, escurridizas partículas subatómicas sin carga y prácticamente sin masa que casi nunca interactúan con nada.
Esos neutrinos vuelan al espacio, y los científicos no pueden medirlos a menos que usen equipos extremadamente sensibles. Para demostrar que se ha producido un evento de captura de doble electrón de dos neutrinos, los investigadores de Xenon observaron los espacios vacíos que quedan en el átomo en descomposición.
"Una vez que el núcleo captura los electrones, quedan dos vacantes en la capa atómica", dijo Wittweg. "Esas vacantes se llenan de capas superiores, lo que crea una cascada de electrones y rayos X".
Esos rayos X depositan energía en el detector, que los investigadores pueden ver claramente en sus datos experimentales. Después de un año de observaciones, el equipo detectó cerca de 100 instancias de átomos de xenón-124 en descomposición de esta manera, proporcionando la primera evidencia directa del proceso.
Esta nueva detección del segundo proceso de descomposición más raro en el universo no coloca al equipo de Xenon más cerca de encontrar materia oscura, pero sí demuestra la versatilidad del detector. El siguiente paso en los experimentos del equipo consiste en construir un tanque de xenón aún más grande, este capaz de contener más de 8.8 toneladas (8,000 kg) de líquido, para proporcionar aún más oportunidades para detectar interacciones raras, dijo Wittweg.
