在意大利一座山的深处，一个装满了数吨液态氙的巨型探测器一直在寻找暗物质——一种神秘物质的粒子，我们可以在宇宙中看到这种物质的作用，但从来没有人直接观察过。然而，在这个过程中，探测器捕捉到了另一个科学上的独角兽:氙原子的衰变——124——这是宇宙中观察到的最罕见的过程。
XENON1T实验的结果，由芝加哥大学的科学家共同撰写，发表在4月25日的《自然》杂志上，记录了宇宙中最长的半衰期，并且可能有助于科学家寻找另一个神秘的过程，那就是粒子物理学的一大谜团之一。
并不是所有的原子都是稳定的。根据它们的组成，一些会通过释放亚原子粒子并转变成另一种元素的原子来稳定自己——这一过程被称为放射性衰变。
我们对铀和钚等放射性元素更加熟悉——这些是放射性元素的狂热少年，不断地抛出粒子。例如，Radon-222的半衰期只有四天。然而，有些元素衰变得非常非常慢。氙-124就是这样一位年长的政治家:它的半衰期比宇宙的年龄长一万亿倍，因此，探测到它衰变的几率非常小。
“这是我们直接测量到的最长寿命，”芝加哥大学(University of Chicago)物理学助理教授、该研究的合著者卢卡·格兰迪(Luca Grandi)说。“多亏了这项合作的巨大努力，使得XENON1T成为一种超低背景探测器，它才有可能被探测到。这使得该探测器成为探测罕见事件的理想选择，比如探测暗物质(暗物质正是为暗物质设计的)，以及其他难以捉摸的过程。”
格兰迪是研究XENON1T探测器的科学家之一。XENON1T探测器是一种极其敏感的仪器，隐藏在意大利格兰萨索山脉地下近一英里处。探测器所处的深度和巨大的水池保护探测器不受来自宇宙射线和其他现象的虚假警报的影响，探测器正在寻找一种被称为“WIMP”的粒子的证据。WIMP是暗物质的一种候选粒子。
氙1t探测器充满了三吨氙，这些氙被冷却到零下140华氏度，并不断被提纯(即使是容器金属表面脱落的几个原子也会影响测量结果)。格兰迪和芝加哥大学的团队帮助开发、建造和操作了这种探测器，它能探测到粒子撞击氙原子后产生的闪光。
XENON1T探测器被优化以探测非常罕见的过程，因为暗物质粒子预期与普通物质的相互作用非常少。但它也能接收到其他信号:在这种情况下，探测器内部氙-124原子衰变时产生的轨道。探测器内部有足够的氙-124原子，以至于在氙- 1t采集数据的那一年，观测到这种情况126次。
这些数据帮助合作首次确定了氙-124的半衰期:180万亿年。
这种衰变过程称为双中微子双电子俘获。当氙核中的两个质子同时从原子壳层吸收一个电子并释放出一个中微子时，就会发生这种情况——把两个质子都转化成中子。
这与另一个引起物理学家兴趣的过程密切相关，称为双衰变过程。“如果科学家观察到一个没有中微子的双衰变版本，我们就会知道中微子是它自己的反粒子，”Grandi说。如果是这样的话，这将要求物理学家重新审视他们对宇宙如何运行的看法，甚至可能为一些基本问题打开大门，比如为什么宇宙中物质比反物质多。
目前还没有人能够观察到这样的事件，但是氙-124衰变测量为科学家们提供了如何寻找它的信息——通过确定科学家模型的参数，并减少他们用于寻找无中微子双衰变的技术出错的几率。
格兰迪说:“除了限制双贝塔搜索的核模型，这一发现还告诉我们，未来有可能使用大型氙探测器来搜索没有中微子的双电子捕获，这是一种更为罕见的变体，如果被探测到，它还将告诉我们中微子的性质。”
XENON1T探测器目前正在进行升级，以提高其灵敏度;该公司计划在今年晚些时候重新开始以氙气为燃料的数据采集，其氙气含量是目前的三倍，灵敏度也提高了一个数量级。
论文中的其他芝加哥大学科学家是博士后研究员雅克·皮纳尔(Jacques Pienaar);研究生Evan Shockley, Nicholas Upole和Katrina Miller;博士后研究员Christopher Tunnell(现在莱斯大学);数据科学家Benedikt Riedel(现就职于威斯康星大学麦迪逊分校)。
引文:“首次观察到双中微子双电子捕获124Xe与XENON1T。Aprile等人，《自然》，2019年4月24日。
资助:国家科学基金会、瑞士国家科学基金会德国教育与研究、马克斯·普朗克公司协会,德国研究基金会,荷兰科学研究组织,NLeSC,魏茨曼科学研究所的,I-CORE, Pazy-Vatat,初始培训网络隐形,Fundacao对位Ciencia e Tecnologia,地区des支付de la卢瓦尔河,克努特和爱丽丝•瓦伦堡基金会Kavli基金会,阿贝罗大学研究生奖学金和核聚变研究中心。