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Eigentlich soll der XENON1T-Detektor tief im Untergrund Teilchen der Dunklen Materie aufspüren. Doch einem Forscherteam unter führender Beteiligung von Zürcher Physikern ist es jetzt gelungen, damit erstmals einen anderen äusserst seltenen Vorgang zu beobachten - den Zerfall des Atoms Xenon-124, das die enorme Halbwertszeit von 1,8 × 10 hoch 22 Jahren aufweist.
Tief im italienischen Gran Sasso-Gebirge befindet sich das Untergrundlabor LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso), in dem Wissenschaftler abgeschirmt von jeglicher Radioaktivität nach Teilchen der Dunklen Materie suchen. Hierzu verwenden sie den sogenannten XENON1T-Detektor, dessen Herzstück ein etwa ein Meter grosser zylinderförmiger Tank ist, gefüllt mit 3200 Kilogramm flüssigem Xenon bei einer Temperatur von -95 Grad Celsius.
Der seltenste je gemessene Zerfall
Bislang haben die Forschenden mit diesem Detektor zwar noch keine Teilchen der Dunklen Materie aufgespürt, aber es ist ihnen gelungen, erstmals den Zerfall des Atoms Xenon-124 zu beobachten. Die dabei gemessene Halbwertszeit - also die Zeitspanne, nach der die Hälfte aller ursprünglich vorhandenen Atomkerne radioaktiv zerfallen sind - ist über eine Billion Mal länger als das Alter des Universums, das seit etwa 14 Milliarden Jahren existiert. Der beobachtete Prozess ist damit der seltenste jemals in einem Detektor direkt nachgewiesene Vorgang im Universum. "Dass es uns gelungen ist, diesen Vorgang direkt zu beobachten, zeigt eindrucksvoll, welches Potenzial in unserer Messmethode steckt - auch für seltene physikalische Phänomene, die nicht von Dunkler Materie herrühren", sagt die Professorin Laura Baudis, Astroteilchenphysikerin an der Universität Zürich, deren Gruppe an dem XENON1T-Experiment massgeblich beteiligt ist.
Ein schwer nachweisbares Phänomen
Bei dem beobachteten Prozess handelt es sich um einen sogenannten doppelten Elektroneneinfang: Der Atomkern von Xenon-124 besteht aus 54 positiv geladenen Protonen und 70 neutralen Neutronen und wird umhüllt von mehreren Atomschalen, die mit negativ geladenen Elektronen besetzt sind. Beim doppelten Elektroneneinfang fangen zwei Protonen des Kerns zwei Elektronen aus der innersten Schale des Atoms ein, wandeln sich in Neutronen um und senden zwei Neutrinos aus. Da in der Atomhülle nun zwei Elektronen fehlen, sortieren sich die übrigen Elektronen um, wobei Energie in Form von Röntgenstrahlen ausgesendet wird. Dieser Prozess geschieht allerdings extrem selten und wird normalerweise von allgegenwärtigen Spuren "normaler" Radioaktivität überdeckt - in der abgeschirmten Umgebung des Untergrundlabors war Nachweis nun allerdings möglich.
Berechnung der Halbwertszeit aus Lichtsignalen
Die Röntgenstrahlen aus dem doppelten Elektroneneinfang erzeugten innerhalb des flüssigen Xenons im XENON1T-Detektor ein erstes kurzes Lichtsignal und freie Elektronen. Diese bewegten sich in den oberen Teil des Detektors und erzeugten dort ein zweites Lichtsignal. Aus der Richtung und der Zeitdifferenz zwischen den Signalen konnten die Wissenschaftler die genaue Position des doppelten Elektroneneinfangs sowie die beim Zerfall freigewordene Energie ermitteln. Aus insgesamt 126 solcher in den letzten zwei Jahren beobachteten Vorgängen berechneten die Physiker dann die enorme Halbwertszeit von 1,8 × 10 hoch 22 Jahren für das Atom Xenon-124. Dies ist der langsamste Prozess, der jemals direkt nachgewiesen werden konnte.
"Die neuen Ergebnisse zeigen, wie präzise der XENON1T-Detektor sehr seltene Zerfälle registrieren und Störsignale herausfiltern kann", sagt Laura Baudis. Da beim beobachteten doppelten Elektroneneinfang zwei Neutrinos ausgesendet werden, könnten die Ergebnisse darüber hinaus in Zukunft auch wichtige Fragen zur Natur der Neutrinos beantworten. Denn die Eigenschaften dieser leichtesten aller Elementarteilchen sind in vielen Aspekten immer noch mysteriös.
Das XENON1T-Experiment
Mit dem Detektor XENON1T wollten Physiker erstmals Teilchen der Dunklen Materie nachweisen. Theoretischen Annahmen zufolge stossen diese in dem mit flüssigem Xenon gefüllten Tank sehr selten mit einem Xenon-Atomkern zusammen. Durch die dabei übertragene Energie werden andere Xenon-Atome anregt und zum Leuchten gebracht. Diese sehr schwachen Signale aus ultraviolettem Licht sowie bei der Kollision ebenfalls frei werdende winzige Mengen an elektrischer Ladung werden von empfindlichen Sensoren nachgewiesen. Seit 2018 befindet sich der Detektor im Umbau: Die dreifache Masse an Xenon sowie weitere Anpassungen sollen den neuen XENONnT-Detektor nochmals um eine Grössenordnung empfindlicher machen.
Der Detektor XENON1T ist ein internationales Projekt, an dem rund 160 Forschende beteiligt sind. In der Schweiz erhielt das Experiment finanzielle Unterstützung durch den SNF und die Universität Zürich. Internationale Förderung kam aus Deutschland, den USA, Italien, Israel, Portugal, Frankreich, Schweden, den Niederlanden und von der EU.
Prof. Dr. Laura Baudis
Physik-Institut
Universität Zürich
Tel. +41 44 635 57 77
E-Mail: lbaudis@physik.uzh.ch
Literatur:
E. Aprile et al. First observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T. Nature. 24 April 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1124-4
https://www.media.uzh.ch/de/medienmitteilungen/2019/Atomzerfall.html
Die Photodetektoren des inneren Detektors von XENON1T wurden zusammen mit dem Unternehmen Hamamatsu ...
(Bild: Xenon Collaboration)
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Die Elektronik, um die Photodetektoren auszuwählen, wurde an der UZH entwickelt und gebaut.
(Bild: Xenon Collaboration)
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Leiter der Studie, auf die sich diese Pressemitteilung bezieht, war die Forschergruppe um Prof. Christian Weinheimer der Westfälischen-Wilhelms Universität Münster (WWU).
Das Experiment XENON1T ist ein Projekt, an dem rund 160 Forscher aus Europa, den USA und dem Nahen Osten beteiligt sind. Aus Deutschland leisten das Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg sowie die Universitäten Münster, Freiburg und Mainz zentrale Beiträge.
Criteria of this press release:
Journalists
Geosciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Transfer of Science or Research
German
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