Mintegy másfél kilométerre az olaszországi Gran Sasso hegység felszíne alatt, bolygónk legnagyobb föld alatti laboratóriumában egyéb kísérletek mellett van egy nagyjából egy méter magas és ugyanekkora átmérőjű tartály. A hengeres tároló három és fél tonna folyékony xenont tartalmaz, amit közel mínusz 100 °C-ra hűtve tartanak meg ebben a halmazállapotban. A tartály a XENON1T nevű kísérlet része, amely pedig a 2006-ban kezdődött XENON sötétanyag-kutató projekt egyik, nemrég befejeződött állomása.
Sötét anyag a mélyben
A projekt azzal a céllal folyik, hogy az annak során készült detektorok révén sikerül elcsípni egy rendkívül ritka interakciót: egy sötét anyag részecske és egy xenon atommag kölcsönhatását. A kurrens kozmológiai elméletek szerint az univerzum 68 százalékban sötét energiából, 27 százalékban sötét anyagból és 5 százalékban pedig az elektromágneses sugárzással kölcsönhatásba lépő, „hétköznapi” anyagból áll.
A sötét anyag létezésére rengeteg indirekt bizonyíték áll rendelkezésre, közvetlenül azonban máig nem sikerült észlelni azt.
A közvetett bizonyítékok közül a legfontosabbak a galaxisok forgási sebességével kapcsolatos kutatások: ezek alapján a látható anyag gravitációja egyszerűen nem magyarázza meg, hogy miért maradnak egyben a csillagrendszerek. Ha ugyanis ezek nem tartalmaznának még valamilyen, általunk jelenleg érzékelhetetlen anyagot, csillagaik sebességük alapján szétspriccelnének a környező űrbe. A sötét anyag kapcsán tehát nagyon valószínűnek tűnik, hogy az létezik, de pontos mibenléte egyelőre rejtély.
A vezető hipotézis ezzel kapcsolatban az, hogy a titokzatos anyagfajta – részben legalábbis – úgynevezett WIMP-ekből, azaz gyengén kölcsönható nehéz elemi részecskékből állhat. Ezek a feltevések szerint nagyon ritkán ugyan, de időnként kölcsönhatásba kerülnek a hétköznapi anyaggal, így ha kellően hosszú ideig vizsgálódunk, előbb-utóbb a nyomukra lehet jutni. És pontosan ez a XENON-projekt fő célja: ha a detektorral sikerülne sötét anyagot észlelni, azzal egyrészt közvetlen bizonyítást nyerne, hogy valóban létezik ez a rejtélyes matéria, másrészt az is beigazolódna, hogy az WIMP-ekből áll.
18 trilliárd év
A projekt eddig működése alatt ilyen interakciót rögzíteni sajnos még nem sikerült, viszont a detektort kezelő szakértők nemrégiben megfigyeltek egy olyan eseményt, amely még sokkal-sokkal ritkábbnak számít, mint a WIMP-ek és a xenon teoretizált kölcsönhatásba kerülése. Ez pedig a xenon-124 tellúr-124-gyé bomlása, amit először az 1950-es években jósoltak meg a fizikusok, de megfigyelni egészen mostanáig nem sikerül. Ami nem véletlen, hiszen az átalakulás felezési ideje az új kísérleti eredmények alapján 1,8 x 1022,
vagyis 18 trilliárd év, ami az univerzum feltételezett korának durván egybilliószorosa.
A felezési idő annak a mérőszáma, hogy mennyi időbe telik, amíg egy adott mennyiségű anyag fele egy másik anyaggá alakul át. Az urán-238 esetében például a felezési idő 4,47 milliárd év, vagyis ha volt egy kilogramm ilyen tömegszámú uránunk a Naprendszer keletkezésekor, annak fele mára tóriummá alakult át. Azt nem lehet megmondani, hogy az adott mennyiségen belül pontosan mely atomok bomlanak le, de statisztikai alapon elég jól leírható az anyag viselkedése.
A xenon-124 esetében a felezési idő az új eredmények alapján minden eddigi felezési időnél hosszabb, vagyis már annak az esélye is iszonyú alacsony, hogy akár egyetlen atommag is bomlásnak induljon. Hogy pontosabban fogalmazzunk, utóbbira annyira kicsi ez az esély, hogy a XENON1T kísérlet során rögzített bomlás minden idők legritkább megfigyelt eseményének számít.
Elektronok és protonok
A xenon atomja 54 protonból, az aktuális izotóptól függő számú neutronból és 54 elektronból áll. A természetben található xenon java 75, 77 vagy 78 neutronnal rendelkezik, de az elemnek egy sor más tömegszámú izotópja is létezik. A 70 neutronos xenon-124 a legritkábbak közé tartozik, a természetben előforduló xenon 0,1 százaléka, tehát ezerből egy xenon atom ilyen.
Ahogy a felezési időből látszik, a xenon-124 rendkívül stabil. Ha van egy ilyen atomunk, azzal valószínűleg semmi sem fog történni igen-igen hosszú ideig. De persze semmi sem tart örökké: nagyon ritkán előfordul, hogy az atommagot övező elektronfelhő egyik tagja egy furcsa kvantummechanikai jelenség, az alagúthatás nyomán behatol az atommagba, ahol aztán egy protonnal neutronná egyesül, miközben egy neutrínó nevű szubatomi részecskét sugároz ki.
A hasonló elektronbefogás eleve nagyon ritka, még ritkább esetekben azonban az is előfordulhat, hogy egyszerre két elektron jut be az atommagba, így két proton alakul át neutronná.
Ha ez a xenon-124-ben történik, az atom tellúrrá alakul, hiszen immár csak 52 protont fog tartalmazni. Amikor ez megtörténik, az atom érdekes helyzetbe kerül: két legalacsonyabb vegyértékű elektronja hiányzik, ami olyan, mintha egy épület legalsó szintje egyszerűen eltűnne. A magasabb energiájú elektronok zuhanni kezdenek, és miközben feltöltik a megürült helyeket, specifikus frekvencián kezdenek sugározni.
És ezt a szűk frekvenciatartományú fényt észlelték a XENON1T kísérlet kutatói. Bár a kettős elektronbefogás nagyon ritka, ha kellően nagy mennyiségű anyagban vizsgálódunk, ott idővel az alacsony valószínűségű események is bekövetkeznek. Itt pedig pontosan ezt történt, a tartály ugyanis 1,6 x 1028 atomot tartalmaz.
126 felvillanás
A felvillanást persze detektálni is kellett, ami nem volt könnyű, hiszen egy xenonnal teli tartályban más olyan események is megtörténhetnek, amelyek fényt bocsátanak ki, és így megnehezítik a tellúrrá alakulás felvillanásának észlelését. Pontosan ez az oka annak, hogy a tartály 1500 méter mélyen a föld alatt van: a felette található sziklaréteg megvédi a xenont a háttérzaj javától. A tartály ráadásul egy még nagyobb, vízzel teli tárolóban foglal helyet, ami a sziklából érkező szubatomi részecskéket hivatott elnyelni, hogy csak azok a részecskék érjék el a xenont, amelyekkel a szakértők foglalkozni akarnak.
2017–2018 folyamán, nagyjából egy év leforgása alatt a kutatók körülbelül 126 ilyen felvillanást érzékeltek.
A xenon mennyiségét és a megfigyelési időt figyelembe véve ebből sikerült kiszámítaniuk a xenon-124 már említett, elképesztően magas felezési idejét. Bár a kettős elektronelnyelés kripton és a bárium egyes izotópjaiban is előfordul, ezek – szintén nagyon hosszú – felezési ideje rövidebb a xenon-124-énél: így derült ki, hogy a XENON1T-kísérlet során megfigyelt események a legritkábbak, amiket valaha detektáltak.
Gondoljunk csak bele: a tartályban található 3,5 tonna xenonból 3500 gramm a xenon-124. Az új számítások szerint ahhoz, hogy ennek a fele tellúrrá váljon, 18 trilliárd évet kellene várni! Amellett, hogy ez mennyire döbbenetes, a felezési idő pontos meghatározása fontos lépést jelent a magfizikusok számára, ugyanis ennek révén az elem más tulajdonságait is jobban fel fogják tudni tárni, és a neutrínókról is újdonságokat deríthetnek fel.
Neutrínók nyomában
A szakértők meglehetősen bizonyosak abban, hogy a foton után a második legelterjedtebb részecske a világegyetemben a neutrínó. Ezeket a részecskéket ugyanakkor nagyon nehéz észlelni. Azt már tudjuk, hogy van tömegük, de nem tudjuk, hogy mekkora. Azt is tudjuk, hogy a neutrínóknak vannak antirészecskéik, de utóbbiakról gyakorlatilag semmilyen információt nem ismerünk. A XENON1T xenon-124-bomlásai során viszont az érintett atomok két neutrínót is kibocsátanak.
A következő cél így a „neutrínómentes” kettős elektronelnyelés detektálása lehet, amely során – még ritkábban – a két neutrínó egymással ütközve gammasugarat bocsát ki.
Ha ezt sikerül detektálni, azzal igazolódna az a sejtés, miszerint a neutrínók valójában saját antirészecskéik.
Ami lehetővé tenné a részecskék tömegének megállapítását, és talán azt is segítene megmagyarázni, miért van sokkal több anyag a világegyetemben, mint antianyag.
Ezekre, és talán más észlelésekre azonban már egy másik kísérlet keretében fog sor kerülni: a XENON1T ugyanis befejeződött, és a projekt rövidesen a XENONnT-kísérlettel folytatódik tovább, amelynek detektora már háromszor ennyi xenont tartalmaz.
