Rozpad atomu byl trilionkrát delší než je stáří vesmíru

Zní to poněkud zlověstně, říká Christian Wittweg, doktorand Mnichovské univerzity v Německu, který pět let pracoval v rámci takzvané Xenonové spolupráce. Chodit sem každý den do práce je jako „navštěvovat padoucha z Bondovky.“ Výzkumníci z hory zatím žádnou temnou hmotu nezachytili. Nedávno se jim však podařilo zaznamenat jednu z nejvzácnějších interakcí částic ve vesmíru. Rozpad atomu s poločasem 1,8 x 10²² let.

Podle nové studie zveřejněné 24. dubna 2019 v časopise Nature změřil tým čítající více než 100 vědců poprvé v historii rozpad atomu xenonu-124 na tellur-124 při extrémně vzácném procesu zvaném dvouneutrinové zachycení dvou elektronů. Tento typ radioaktivního rozpadu nastane, když jádro atomu absorbuje dva elektrony ze svého elektronového obalu současně a vypustí tak dvojitou dávku přízračných částic zvaných neutrina.

První laboratorní detekce tohoto unikátního rozpadu umožnila výzkumníkům přesně dokázat, jak vzácná je tato reakce a jak dlouho trvá rozpad xenonu-124. Poločas rozpadu xenonu-124 (průměrný čas potřebný k poklesu počtu skupiny atomů xenonu-124 na polovinu) je přibližně 18 sextilionů let (1,8 x 10²² let). Přibližně trilionkrát více, než činí stáří vesmíru.

„To je naprosto nejdelší poločas rozpadu, který byl kdy naměřen v laboratoři,“ dodává Wittweg. Ve vesmíru existuje už jen jeden proces nukleárního rozpadu s ještě delším poločasem rozpadu. A sice rozpad telluru-128, který má poločas rozpadu více než stokrát delší, než xenon-124. Tato ultravzácná událost byla však vypočítána pouze papírově.

Vzácný rozpad

Stejně jako u běžnějších forem radioaktivního rozpadu se dvouneutrinové zachycení dvou elektronů odehraje ve chvíli, kdy atom ztrácí energii tím, jak se mění poměr protonů a neutronů. Tento proces je však mnohem vzácnější, než běžnější režimy rozpadu. „Závisí na sérii obrovských náhod,“ říká Wittweg. Musíme pracovat doslova s tunami atomů xenonu, abychom zvýšili pravděpodobnost těchto náhod.

Princip vypadá následovně. Všechny atomy xenonu-124 jsou obklopeny 54 elektrony, které obíhají po neurčitých drahách kolem jádra. Dvouneutrinové zachycení dvou elektronů nastává ve chvíli, když dva z těchto elektronů v drahách blízko jádra současně přejdou do jádra.

Každý z nich narazí do jednoho protonu. Tyto protony se tak změní v neutrony. Jako vedlejší produkt této konverze vyplivne jádro dvě neutrina, těžko uchopitelné téměř nehmotné subatomární částice bez náboje, které skoro nikdy s ničím neinteragují.

Tato neutrina odletí do kosmu. Vědci je mohou změřit jen pomocí extrémně citlivého vybavení. Aby xenonoví výzkumníci dokázali, že k dvouneutrinovému zachycení dvou elektronů skutečně došlo, hledají místo toho prázdné místo zbylé po těchto částicích v rozpadajícím se atomu.

„Poté, co jsou částice zachyceny v jádře, zůstanou v atomovém obalu dvě volná místa,“ říká Wittweg. „Tato volná místa jsou zaplněna z vyšších elektronových drah, což vytvoří kaskádu elektronů a rentgenových paprsků.“

Tyto rentgenové paprsky zanechají v detektoru energii, kterou mohou výzkumníci zřetelně rozpoznat v údajích z experimentu. Po roce sledování zaznamenal tým téměř 100 případů rozpadu atomů xenonu-124. Poskytl tak první přímý důkaz existence tohoto procesu.

Detekce druhého nejvzácnějšího procesu rozpadu ve vesmíru sice nepomohl týmu k nalezení temné hmoty, ale prokázal všestrannost detektoru. Dalším krokem při experimentech tohoto týmu bude výstavba ještě větší nádrže s xenonem. Tato nová pojme více než 8,8 tuny (8000 kg) kapaliny a poskytne tak ještě více příležitostí zaznamenat vzácné interakce, říká Wittweg. (zdroj: livescience.com)