Donkere materiedetector meet langste halfwaardetijd

kijkmagazine

2019-05-01 08:59:08

Fysici spotten één van de zeldzaamste processen ter wereld; het verval van xenon-124. Met 18 triljard jaar is dat het langzaamste verval ooit gemeten.

In het binnenste van de Gran Sasso-berg in Italië speuren natuurkundigen met het XENON1T-experiment naar donkere materie. Hoewel dat tot op heden nog niet is gevonden, spotten de fysici onlangs wel iets anders: het verval van xenon-124. En ook dat is een spectaculaire vondst. Met een bijna niet te bevatten 18 triljard jaar durend verval (een 18 met 21 nullen), is dat namelijk één van de zeldzaamste processen ter wereld. Nooit eerder zagen we een stof die zo langzaam vervalt, schreven de onderzoekers in vakblad Nature.

Lees ook:

Verval

De halfwaardetijd van een stof geeft aan hoelang het duurt voordat de helft ervan vervallen is en zegt dus iets over de stabiliteit van een stof. Bij zulk verval worden er op verschillende manieren delen van een atoom weggekaatst of vervangen. Dat zorgt ervoor dat de stof als het ware van vorm verandert; in dit geval vervalt xenon-124 tot telluur-124.

Men vermoedde al dat xenon-124 een lange halfwaardetijd had, zo’n 160 biljoen jaar werd er gedacht. Bewijs was daar echter niet voor. Want meet zo’n langzaam en dus zeldzaam fenomeen maar eens. Wil je ook maar de kleinste kans hebben om zoiets te zien, dan heb je een gigantische hoeveelheid xenon-atomen nodig. Laat het nou net zo zijn dat XENON1T voor de speurtocht naar donkere materie letterlijk tonnen van de stof bevat – 3,2 ton om precies te zijn.

Transformatie

Dankzij de monsterlijke hoeveelheid van pakweg 10 quadriljoen (24 nullen) xenon-124-atomen in het XENON1T-experiment konden de natuurkundigen zelfs zo’n zeldzaam proces spotten. Ze ontdekten dat pas na 18.000.000.000.000.000.000.000 jaar de helft van de xenon-124 in telluur-124 verandert. Even ter vergelijking; dat is meer dan een biljoen (duizend miljard) keer de leeftijd van het universum.

Xenon verandert in telluur door een fenomeen dat men elektronenvangst noemt. Hierbij absorbeert de atoomkern een elektron. Dat negatief geladen deeltje heft de positieve lading van een proton in de kern op, wat resulteert in een neutraal geladen neutron (want 1 – 1 = 0) en een neutrino die uit het atoom ontsnapt. Door de elektronenvangst verandert (lees: vervalt) het atoom tot iets anders.

Door een dubbele elektronenvangst vervalt xenon-124 met 54 protonen en 70 neutronen, tot telluur-124 met 52 protonen en 72 neutronen. De massa blijft gelijk door de twee neutrino’s die bij het proces vrijkomen. © XENON Collaboration, 2019/Nature

In het geval van xenon-124 zagen de fysici een dubbele elektronenvangst. “Normaal gaat er bij dit proces een elektron in en komt er een neutrino uit”, vertelt co-auteur Christopher Tunnell. “Maar we hebben nog nooit twee elektronen en twee neutrino’s de kern in en uit zien gaan.” Deeltjesfysicus Patrick Decowski (Nikhef, Universiteit van Amsterdam) legt het verder uit: “Voor xenon-124 is het invangen van één elektron niet mogelijk. Wel kunnen er dus soms twee elektronen uit de binnenschil van het atoom ingevangen worden, waardoor het in telluur-124 verandert.”

Modellen

“Het is natuurlijk erg leuk om een wereldrecord ‘sloom verval’ te zetten”, mailt Decowski, die de leiding heeft over de Nederlandse bijdrage van het XENON1T-experiment. “En het is waanzinnig dat je iets kunt meten dat een biljoen maal langer duurt dan het heelal oud is. Maar,” vervolgt hij, “we doen het natuurlijk voor de wetenschap.”

Een theoretisch kernmodel zou moeten kunnen beschrijven hoe vaak (of eigenlijk hoe langzaam) dat ‘dubbele verval’ van bijvoorbeeld xenon-124 gebeurt. “Maar blijkbaar is ons begrip van de kernfysica voor de zwaardere kernen, zoals xenon, nog niet goed genoeg om dit proces te voorspellen”, legt Decowski uit. De metingen moeten dergelijke modellen dan ook helpen verbeteren. “Uiteindelijk is de verbetering van het kernmodel ook belangrijk voor andere processen die we met xenon willen meten, zoals neutrinoloos dubbel-bta-verval.”

XENON1T-installatie in de ondergrondse hal van Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italië. © Roberto Corrieri en Patrick De Perio/XENON Collaboration

Speurwerk

Een wonderlijke ontdekking, maar grappig genoeg dus niet waar het XENON1T-experiment voor bedoeld is. Het eigenlijke doel, het vinden van donkere materie – het ‘iets’ dat verantwoordelijk moet zijn voor de ‘verloren’ 85 procent van de massa van het heelal – gaat druk verder. “We zijn met de opvolger bezig”, vertelt Decowski. “XENONnT zal meer dan 8 ton aan xenon bevatten en eind 2019 beginnen met het verzamelen van data.” Daarmee hopen de fysici onder meer die dubbele elektronenvangst nog nauwkeuriger te kunnen meten. “En natuurlijk,” besluit Decowski, “vervolgen we onze zoektocht naar donkere materie.”

Bronnen: Nature, Rice University, de Volkskrant

Beeld: XENON1T, XENON Collaboration, 2019/Nature

KIJK 5/2019Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!







Podcast KIJK en luister via JUKE



Meer Nieuws