Natuurkundigen zien zeldzaamste gebeurtenis ooit

Een experiment dat is opgetuigd om donkere materie te detecteren, heeft bij wijze van ‘bijvangst’ een extreem zeldzaam radioactief verval gezien: dat van xenon-124, een isotoop met een bizar lange halfwaardetijd.

Strikt gesproken is xenon-124 radioactief. De kern van deze lichte variant op het edelgas xenon kán immers spontaan vervallen tot het element tellurium. Zo’n verval is echter zeldzamer dan zeldzaam: het duurt meer dan een biljoen keer zo lang als de levensduur van het universum voordat de helft van een hoeveelheid xenon-124-atoomkernen is vervallen tot telluriumkernen. Toch hebben onderzoekers dit verval weten te detecteren met het experiment XENON1T.
 

Tonnen xenon

De XENON1T-detector speurt naar donkere-materie-deeltjes; deeltjes waar zo’n 85 procent van het heelal uit lijkt te bestaan, maar die nog nooit zijn waargenomen. Ook niet door XENON1T, dat te boek staat als ’s werelds gevoeligste donkere-materie-experiment.

Wel heeft het team achter de detector nu iets anders gemeten: het verval van xenon-124, een isotoop van het element xenon met 54 protonen en 70 neutronen in zijn kern. (De meestvoorkomende xenonvariant bevat 54 protonen en 78 neutronen.) Normaal gesproken zou zo’n kern vervallen als een elektron wordt ingevangen door de atoomkern. Daar smelt het negatief geladen elektron dan samen met een positief geladen proton tot een neutraal neutron. Hierdoor gaat het atoomgetal – dat gelijk is aan het aantal protonen – met één omlaag en zou het xenon veranderen in jodium.

Bij xenon-124 steekt de wet van behoud van energie hier echter een stokje voor. Dit isotoop kan alleen vervallen als er toevallig een keer twee elektronen tegelijkertijd worden ingevangen. Die zorgen er dan voor dat er twee protonen in de kern veranderen in neutronen en het atoomgetal met twee omlaag gaat, naar dat van het element tellurium. Dat gebeurt echter maar heel, heel zelden.

Toch: als je maar een genoeg xenon in de gaten houdt, zul je af en toe zo’n verval zien. En dat lukte met XENON1T, dat ruim 3 ton xenon bevat, tussen 2 februari 2018 en 8 februari 2018 welgeteld 126 keer, zo is te lezen in het coverartikel van de nieuwste editie van Nature.
 

Waterval aan fotonen

Een logische vraag is dan: hoe zie je dat een xenon-124-kern twee elektronen vangt en daarop verandert in een telluriumkern? Dat blijkt nog niet zo makkelijk. De kern zelf geeft bij zijn gedaanteverwisseling maar een minuscuul beetje energie af, dat daardoor niet te meten is. Maar via twee neutrino’s wordt wel veel energie afgevoerd. Probleem is dat die deeltjes niet worden gezien door de detectoren van XENON1T.

Wat is er dan wél te zien? De elektronen die in de kern verdwijnen, zijn afkomstig uit de binnenste elektronenschil. De lege plekken die in die schil ontstaan, worden vervolgens ingenomen door elektronen uit verder naar buiten gelegen schillen. Daardoor ontstaan er in die schillen ook weer lege plekken, die worden opgevuld door elektronen uit nóg verder naar buiten gelegen schillen. En bij dat herverdelingsproces ontstaat een waterval aan röntgenfotonen.

Bovendien kan een elektron ook naar binnen toe bewegen zónder straling uit te zenden. In dat geval wordt de vrijgekomen energie via het zogenoemde augereffect overgedragen op een ander elektron, dat hierdoor aan het atoom kan ontsnappen.

Nu worden deze röntgenfotonen en augerelektronen gelijk geabsorbeerd door het omringende vloeibare xenon, vertelt de bij het onderzoek betrokken natuurkundige Patrick Decowski (Nikhef en Universiteit van Amsterdam). 'Maar dat levert dan weer twee lichtflitsjes op met 300 microseconden ertussen. Dat is net zo'n signaal als we zouden verwachten wanneer er een donkere-materie-deeltje op een xenonkern botst, maar dan met een veel hogere energie.'

Majoranadeeltje

Uit de waarnemingen van XENON1T blijkt dat de halfwaardetijd van xenon-124 1,8 maal 10²² jaar is, oftewel 18 biljoen miljard jaar. Ter vergelijking: het universum bestaat pas 13,8 miljard jaar. ‘Dit is het langste, traagste proces dat ooit direct is waargenomen’, zegt Ethan Brown, een andere betrokken natuurkundige, dan ook in een persbericht. 

De meting kan een opstapje zijn naar het waarnemen van een nóg zeldzamer proces: neutrinoloos dubbel bètaverval. Daarbij komen, zoals de naam al zegt, niet twee, maar géén neutrino’s vrij. Dat kan echter alleen als het neutrino een zogenoemd majoranadeeltje is: een deeltje dat gelijk is aan zijn eigen antideeltje.

Is dat laatste inderdaad het geval, dan kan dat meer licht werpen op twee grote openstaande vragen uit de natuurkunde. Ten eerste: wat wegen neutrino’s nu eigenlijk? En ten tweede: hoe komt het dat ons heelal alleen maar materie bevat, terwijl er vlak na de oerknal evenveel materie als antimaterie moet zijn ontstaan?
 

Opgeschaalde versie

Intussen wordt XENON1T geüpgraded naar XENONnT, een versie die maar liefst 8 ton xenon bevat. Als alles goed gaat, begint die dit najaar met zijn werk. 'Met XENONnT hopen we de meting van de halfwaardetijd van xenon-124 nog te verbeteren', zegt Decowski. 'Daarnaast zal het mogelijk zijn om te speuren naar neutrinoloos dubbel bètaverval van xenon-136. XENONnT wordt dus meer een observatorium dan een pure detector voor donkere materie.'

Foto: XENON Collaboration