Sâu bên trong một ngọn núi ở miền trung Italy, các nhà khoa học đang đặt bẫy cho vật chất tối. Mồi nhử? Một bể kim loại lớn chứa đầy 3,5 tấn (3.200 kg) xenon lỏng nguyên chất. Khí hiếm này là một trong những chất sạch nhất, chống bức xạ nhất trên Trái đất, khiến nó trở thành mục tiêu lý tưởng để nắm bắt một số tương tác hạt hiếm nhất trong vũ trụ.
Tất cả nghe có vẻ mơ hồ nham hiểm; Christian Wittweg, một ứng cử viên tiến sĩ tại Đại học Münster, Đức, người đã làm việc với cái gọi là sự hợp tác Xenon trong nửa thập kỷ, đi làm mỗi ngày cảm thấy như "trả tiền cho một nhân vật phản diện Bond." Cho đến nay, các nhà nghiên cứu sống trên núi vẫn chưa bắt được vật chất tối nào. Nhưng gần đây họ đã thành công trong việc phát hiện một trong những tương tác hạt hiếm nhất trong vũ trụ.
Theo một nghiên cứu mới được công bố hôm nay (24 tháng 4) trên tạp chí Nature, nhóm nghiên cứu gồm hơn 100 nhà nghiên cứu đã đo được, lần đầu tiên, sự phân rã của một nguyên tử xenon-124 thành một nguyên tử Tellurium 124 thông qua một quá trình cực kỳ hiếm gặp bắt electron hai neutrino. Loại phân rã phóng xạ này xảy ra khi hạt nhân của nguyên tử hấp thụ đồng thời hai electron từ vỏ electron bên ngoài của nó, do đó giải phóng một liều gấp đôi các hạt ma quái gọi là neutrino.
Bằng cách đo sự phân rã độc đáo này lần đầu tiên trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã có thể chứng minh chính xác mức độ hiếm của phản ứng và mất bao lâu để xenon-124 phân rã. Thời gian bán hủy của xenon-124 - nghĩa là thời gian trung bình cần thiết cho một nhóm các nguyên tử xenon-124 giảm đi một nửa - là khoảng 18 sextillion năm (1,8 x 10 ^ 22 năm), gấp khoảng 1 nghìn tỷ lần so với tuổi hiện tại của vũ trụ.
Điều này đánh dấu thời gian bán hủy dài nhất từng được đo trực tiếp trong phòng thí nghiệm, Wittweg nói thêm. Chỉ có một quá trình phân rã hạt nhân trong vũ trụ có chu kỳ bán rã dài hơn: sự phân rã của Tellurium-128, có chu kỳ bán rã dài hơn 100 lần so với xenon-124. Nhưng sự kiện hiếm hoi này chỉ được tính trên giấy.
Một sự phân rã quý giá
Cũng như các dạng phân rã phóng xạ phổ biến hơn, sự bắt giữ electron kép hai neutrino xảy ra khi một nguyên tử mất năng lượng khi tỷ lệ của các proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử thay đổi. Tuy nhiên, quá trình này khó khăn hơn nhiều so với các chế độ phân rã phổ biến hơn và phụ thuộc vào một loạt "sự trùng hợp khổng lồ", Wittweg nói. Có hàng tấn nguyên tử xenon hoạt động theo nghĩa đen đã làm cho tỷ lệ của những sự trùng hợp này xếp hàng nhiều khả năng.
Đây là cách nó hoạt động: Tất cả các nguyên tử xenon-124 được bao quanh bởi 54 electron, quay tròn trong lớp vỏ mờ xung quanh hạt nhân. Sự bắt giữ electron hai neutrino xảy ra khi hai trong số các electron đó, ở vỏ gần hạt nhân, đồng thời di chuyển vào hạt nhân, đâm vào một hạt proton và biến đổi các proton đó thành neutron. Là sản phẩm phụ của quá trình chuyển đổi này, hạt nhân phun ra hai hạt neutrino, các hạt hạ nguyên tử khó nắm bắt không có điện tích và hầu như không có khối lượng gần như không bao giờ tương tác với bất cứ thứ gì.
Những neutrino đó bay vào vũ trụ và các nhà khoa học không thể đo được chúng trừ khi chúng sử dụng thiết bị cực kỳ nhạy cảm. Để chứng minh rằng một sự kiện bắt electron kép hai neutrino đã xảy ra, các nhà nghiên cứu Xenon thay vào đó nhìn vào các khoảng trống còn lại trong nguyên tử đang phân rã.
"Sau khi các electron bị hạt nhân bắt giữ, có hai chỗ trống còn lại trong lớp vỏ nguyên tử", Wittweg nói. "Những vị trí tuyển dụng đó được lấp đầy từ các lớp vỏ cao hơn, tạo ra một loạt các electron và tia X."
Những tia X đó tích tụ năng lượng trong máy dò, mà các nhà nghiên cứu có thể thấy rõ trong dữ liệu thực nghiệm của họ. Sau một năm quan sát, nhóm nghiên cứu đã phát hiện gần 100 trường hợp nguyên tử xenon-124 phân rã theo cách này, cung cấp bằng chứng trực tiếp đầu tiên của quá trình.
Phát hiện mới này về quá trình phân rã hiếm thứ hai trong vũ trụ không đặt nhóm Xenon gần hơn với việc tìm kiếm vật chất tối, nhưng nó chứng minh tính linh hoạt của máy dò. Bước tiếp theo trong các thí nghiệm của nhóm liên quan đến việc xây dựng một bể xenon thậm chí còn lớn hơn - loại này có khả năng chứa hơn 8,8 tấn (8.000 kg) chất lỏng - để cung cấp nhiều cơ hội hơn để phát hiện các tương tác hiếm, Wittweg nói.
