物理学者は、記録破りの放射性崩壊の速度を直接測定します

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ビデオ: 科学者が地球の核にある謎の層を発見? 2022, 12月
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XENON1T検出器。電荷キャリアを検出器に浮かせるために、設備内に電界が生成されます。これは、物理学者がイベントが発生した深さを決定する方法です。また、このデバイスには、崩壊やその他の相互作用による光のフラッシュを記録する光検出器があります。

XENON1T検出器を使用する物理学者は、同位体キセノン-124の半減期を直接測定した最初の人でした。これは、研究された不安定な同位体の記録である約20兆年です。これは、単一のキセノン124原子の平均寿命が、現在の宇宙の年齢より2兆倍長いことを意味します。興味深いことに、これは二重電子捕獲による崩壊が記録されている3番目の既知の同位体にすぎません。これは、ジャーナルNatureの新しい出版物で、XENONのコラボレーションによって報告されています。この記事の簡単な説明は、科学グループのWebサイトで入手できます。

半減期は、特定の同位体がどれほど活性であるかを理解するための重要なパラメータです。たとえば、自然のバックグラウンド放射線源であるラドンは非常に活発です。最も安定した同位体の半減期は4日未満です。私たちの体の一部であるカリウム40の半減期は13億年であり、最も重い安定元素と長い間考えられてきたビスマスの最も安定な同位体の半減期は4.6×1019年です。年齢の30億倍宇宙。半減期が短いほど、同じ数の同位体核を含むサンプルで崩壊が発生する頻度が高くなります。たとえば、100万個の原子のサンプルでは、​​原子の約半分が半減期中に崩壊します。 1つの孤立した原子の平均寿命を見積もるには、半減期に約1.45(2の逆自然対数)を掛ける必要があります。

同様に重要な特徴は、放射性崩壊のメカニズムです。アルファ、ベータ崩壊、ガンマ遷移、自発核分裂、陽子または核子クラスターの放出を割り当てます。ベータ崩壊は、電子または陽電子の関与によって発生します。たとえば、そのうちの1つでは、原子核の中性子が陽子、電子、電子反ニュートリノに崩壊します。この場合、原子核の電荷は1つ増加します。陽電子ベータ崩壊では、弱い相互作用が原子核内の陽子を中性子、陽電子、電子ニュートリノに変換します。このグループの崩壊には、電子捕獲も含まれます。原子核の陽子は、原子核に最も近い殻にある電子の1つを捕獲し、中性子に変わり、電子ニュートリノを放出します。これは、カリウム40の分解の2つの主要な経路の1つです。

原子核はかなり複雑な構造をしており、一部の原子核では通常の崩壊が禁じられていることがわかります。したがって、たとえば、電子捕獲は陽子に富む原子核の特徴であり、ヨウ素124がテルル124に容易に変換される場合、さらに陽子に富むキセノン124がヨウ素124に変換されない場合、この崩壊はエネルギー保存法(ヨウ素-124はキセノン-124よりわずかに重く、差は0,0003パーセント未満です)。しかし、そのような原子核の場合、二重崩壊の可能性があります-キセノン原子核は、原子の内殻から2つの電子を同時に捕獲し、2つの陽子を一度に中性子に変え(テルリウムになり)、一度に2つの電子ニュートリノを放出します。このプロセスの確率は非常に小さいので、そのような核の寿命は非常に長いことがわかります。このような二重崩壊を修正する機会を得るには、サンプル内の原子数を増やして、サンプル内の崩壊の確率を上げる必要があります。

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二重電子捕獲による壊変図式。

暗黒物質の弱く相互作用する巨大粒子を検索するように設計されたXENON1T実験の検出器は、キセノン核の崩壊の検索に最適です。これは、摂氏-95度の温度に維持された3.5トンの精製液体キセノンで構成されています。約1、3トンが検出器の作業領域にあります。検出器には、同位体混合物1トンあたり約1キログラムのキセノン-124が含まれています。この設備には、放射性崩壊と暗黒物質との相互作用の両方が原因で発生する可能性のある弱い閃光に反応する高感度の光検出器が含まれています。さらに、別の検出器セットは、相互作用の結果として生成された荷電粒子をキャプチャします。宇宙粒子から機器を分離するために、インスタレーションはイタリアのグランサッソ山脈の下1.5キロメートルの深さにあります。

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64keVの灰色のピークはキセノン-124の崩壊に対応します

物理学者は、200日以上にわたって検出器の崩壊に関するデータを蓄積してきました。キセノン124の二重電子捕獲に対応する信号は、崩壊中にフレアで放出された総エネルギーから科学者によって決定されました。それらの源は、崩壊後に原子から逃げ出し、周囲のキセノン原子と相互作用したX線放射とオージェ電子です。合計で、バックグラウンドノイズを徹底的に分析した後、126±29のそのようなイベントを蓄積することができました。つまり、観測の統計的有意性は4.4シグマです。設備内のキセノン原子の総数を考慮すると、これはキセノン-124の半減期が1.8×1022年であることを意味し、これは直接測定された半減期の記録です。

これらの粒子は物質と非常に弱く相互作用するという事実のために、そのような実験で崩壊中に放出された電子ニュートリノを捕らえることは非常に困難です。それにもかかわらず、このプロセスで同じタイプのニュートリノのペアを生成することは、ニュートリノのマヨラナ性質の仮説をテストする良い機会です。この仮説は、ニュートリノがそれ自体に対する反粒子であることを示唆しています。つまり、同じタイプのニュートリノはそれ自体で消滅する可能性があります。この仮説は「通常の」二重ベータ崩壊でのみテストされていますが、物理学者はこのプロセスで生成されるニュートリノの欠如を確認しようとしています。科学者たちは、現在設置中の検出器の更新された8トンバージョンであるXENONnTが、ニュートリノのない二重ベータ崩壊の探索に参加できることを期待しています。

興味深いことに、二重電子捕獲による崩壊メカニズムが確認されている同位体はキセノン124だけではありません。バクニュートリノ天文台の物理学者は、2013年に、半減期が1.9×1022年のクリプトン78からの二重電子捕獲について説明しました。しかし、ロシアの科学者の結果の統計誤差は、XENON1Tのそれよりも約2倍悪いです。また、地球化学的データに基づいて、同位体バリウム130の二重電子捕獲の可能性が示されました。

二重ベータ崩壊によって崩壊する別の同位体であるテルル128は、さらに長い半減期、7.7×1024年を持っています。ただし、この境界は地球化学的方法によって間接的に確立されています。

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