Al Gran Sasso osservato il più raro decadimento nucleare esotico dell’universo

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Un decadimento nucleare esotico ed estremamente raro che coinvolge la cattura simultanea di due elettroni atomici da parte di un nucleo xenon-124 è stato osservato in un rivelatore di materia oscura. I fisici della Collaborazione XENON hanno stimato l’emivita del processo di acquisizione a doppio elettrone a due neutrini in circa 1022  anni, ovvero circa un trilione di volte l’età dell’universo. Lo studio di questo raro decadimento potrebbe far luce su un processo correlato chiamato cattura del doppio elettrone senza neutrini, che se osservato, rivelerebbe informazioni importanti sulla natura del neutrino che va oltre il modello standard della fisica delle particelle.

La cattura elettronica è una modalità comune di decadimento nucleare che si verifica quando un elettrone atomico interagisce con un protone nel nucleo per creare un neutrone e un neutrino elettronico. La cattura di due elettroni a doppio neutro si verifica quando due elettroni vengono catturati contemporaneamente ed è un processo molto più raro. Oltre a fornire importanti informazioni sulla struttura del nucleo, l’osservazione della cattura del doppio elettrone a due neutroni potrebbe aiutare i fisici a escogitare esperimenti per osservare la cattura di due elettroni neutrinosi. Questo processo ipotetico può verificarsi solo se il neutrino è la sua antiparticella, che non è prevista dal Modello standard. Oltre a stabilire il neutrino come prima particella elementare a essere un fermione di Majorana, la rilevazione della cattura del doppio elettrone senza neutrini fornirebbe informazioni importanti sulla massa assoluta del neutrino.

Sepolto nel profondo del Gran Sasso in Italia, il rilevatore di materia oscura XENON1T contiene circa 3 tonnellate di xeno liquido ultrapuro. L’esperimento è durato un anno tra il 2017 ed il 2018 alla ricerca di ipotetiche particelle di materia oscura chiamate WIMPS, che dovrebbero collidere occasionalmente con i nuclei di xeno. Le eventuali collisioni dovrebbero produrre luce ed elettroni, che possono essere rilevati dall’apparecchio.

Elettroni Auger

L’esperimento dello XENON1T non ha prodotto prove per le collisioni di WIMPS ma i fisici erano anche alla ricerca di raggi X ed elettroni Auger emessi da atomi di tellurio-124, che vengono prodotti quando lo xenon-124 subisce la cattura di due elettroni doppio neutrone. Il team di XENON ha individuato 126 eventi di questo tipo nel rilevatore nel corso di un anno. Sebbene lo xenon-124 rappresenti solo circa lo 0,1% dello xeno nel rivelatore, c’è ancora un numero enorme di nuclei presenti. Conoscendo il numero di nuclei xenon-124 nel rivelatore e il numero di decadimenti che avvengono in un anno il team ha potuto l’emivita della cattura di due neutrini a due neutri in 1,8 × 10 22  anni, che è il periodo di emivita più lungo mai misurato direttamente.

XENON1T è stato aggiornato per creare XENONnT, comprenderà 8 tonnellate di xenon e avrà livelli di radiazione di fondo ancora più bassi. Il team dello XENON afferma che la loro scoperta “pone le basi” per le ricerche sulla cattura del doppio elettrone senza neutrini e altri processi di decadimento esotico usando lo XENONnT e altri due rivelatori in arrivo, LZ che sarà costruito negli Stati Uniti e PandaX-4T in Cina.

La ricerca è descritta in Nature .