Nel profondo di una montagna nell'Italia centrale, gli scienziati stanno gettando una trappola per la materia oscura. L'esca? Un grande serbatoio di metallo pieno di 3,5 tonnellate (3.200 chilogrammi) di xeno liquido puro. Questo gas nobile è una delle sostanze più pulite e più resistenti alle radiazioni sulla Terra, rendendolo un bersaglio ideale per catturare alcune delle interazioni di particelle più rare nell'universo.
Sembra tutto vagamente sinistro; ha detto Christian Wittweg, dottorando presso l'Università di Münster in Germania, che ha lavorato con la cosiddetta collaborazione allo xeno per mezzo decennio, andare a lavorare ogni giorno sembra "fare una visita a un cattivo di Bond". Finora, i ricercatori delle abitazioni di montagna non hanno catturato alcuna materia oscura. Ma recentemente sono riusciti a rilevare una delle interazioni di particelle più rare nell'universo.
Secondo un nuovo studio pubblicato oggi (24 aprile) sulla rivista Nature, il team di oltre 100 ricercatori ha misurato, per la prima volta, il decadimento di un atomo di xeno-124 in un atomo di tellurio 124 attraverso un processo estremamente raro chiamato cattura a doppio elettrone a due neutrini. Questo tipo di decadimento radioattivo si verifica quando il nucleo di un atomo assorbe simultaneamente due elettroni dal suo guscio di elettrone esterno, rilasciando in tal modo una doppia dose delle particelle spettrali chiamate neutrini.
Misurando questo decadimento unico in un laboratorio per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare con precisione quanto sia rara la reazione e quanto tempo impiega lo xenon-124 a decadere. L'emivita di xenon-124 - ovvero, il tempo medio necessario affinché un gruppo di xenon-124 atomi diminuisca della metà - è di circa 18 sextillion anni (1,8 x 10 ^ 22 anni), circa 1 trilione volte l'età attuale dell'universo.
Questo segna la singola emivita più lunga mai misurata direttamente in un laboratorio, ha aggiunto Wittweg. Solo un processo di decadimento nucleare nell'universo ha un'emivita più lunga: il decadimento del tellurio-128, che ha un'emivita più di 100 volte più lunga di quella dello xeno-124. Ma questo evento straordinariamente raro è stato calcolato solo sulla carta.
Un prezioso decadimento
Come per le forme più comuni di decadimento radioattivo, la cattura di doppio elettrone a due neutrini si verifica quando un atomo perde energia quando il rapporto tra protoni e neutroni nel nucleo atomico cambia. Tuttavia, il processo è molto più complicato delle modalità di decadimento più comuni e dipende da una serie di "coincidenze giganti", ha affermato Wittweg. Avere letteralmente tonnellate di atomi di xeno con cui lavorare ha reso le probabilità di queste coincidenze in fila molto più probabili.
Ecco come funziona: tutti gli atomi di xeno-124 sono circondati da 54 elettroni, che ruotano in gusci nebulosi attorno al nucleo. La cattura a doppio elettrone di due neutrini si verifica quando due di quegli elettroni, in gusci vicino al nucleo, migrano simultaneamente nel nucleo, schiantandosi in un protone ciascuno e convertendo quei protoni in neutroni. Come sottoprodotto di questa conversione, il nucleo sputa due neutrini, particelle subatomiche sfuggenti senza carica e praticamente nessuna massa che quasi mai interagisce con nulla.
Quei neutrini volano nello spazio e gli scienziati non possono misurarli a meno che non utilizzino apparecchiature estremamente sensibili. Per dimostrare che si è verificato un evento di cattura a doppio elettrone a due neutrini, i ricercatori di Xenon hanno invece osservato gli spazi vuoti lasciati indietro nell'atomo in decomposizione.
"Dopo che gli elettroni sono stati catturati dal nucleo, ci sono due posti vacanti nel guscio atomico", ha detto Wittweg. "Quei posti vacanti sono riempiti da gusci più alti, che crea una cascata di elettroni e raggi X."
Quei raggi X depositano energia nel rivelatore, che i ricercatori possono vedere chiaramente nei loro dati sperimentali. Dopo un anno di osservazioni, il team ha rilevato quasi 100 casi di atomi di xenon-124 in decomposizione in questo modo, fornendo la prima prova diretta del processo.
Questa nuova rilevazione del secondo processo di decadimento più raro nell'universo non avvicina il team Xenon alla ricerca di materia oscura, ma dimostra la versatilità del rivelatore. Il prossimo passo negli esperimenti del team prevede la costruzione di un serbatoio allo xeno ancora più grande - questo in grado di contenere più di 8,8 tonnellate (8.000 kg) di liquido - per fornire ancora più opportunità per rilevare interazioni rare, ha detto Wittweg.
