Máy dò vật chất tối quan sát được sự phân rã hạt nhân ngoại lai

Máy dò vật chất tốiXENON1T. Nguồn:phys.org

Bằng cách nào bạn có thể quan sát được một quá trình diễn ra trong khoảng thời gian dài hơn một tỷ lần so với tuổi vũ trụ? Nhóm nghiên cứu hợp tác XENON đã làm được việc đó với một thiết bị được thiết kế và chế tạo để tìm vật chất tối – loại vật chất bí hiểm nhất của vũ trụ. Trong một bài báo xuất bản trên Nature, họ đã loan báo rằng mình đã quan sát được sự phân rã phóng xạ của xenon¹²⁴, vốn có chu kỳ bán rã là 1.8 X 10²² năm.

“Chúng tôi đã thấy sự diễn ra của phân rã này. Đây là quá trình dài nhất, chậm nhất được quan sát một cách trực tiếp, và máy dò vật chất tối của chúng tôi đủ độ nhạy để đo đạc được nó,” Ethan Brown, một nhà nghiên cứu vật lý tại Rensselaer và là đồng tác giả nghiên cứu nói. “Thật đáng kinh ngạc khi chứng kiến quá trình này, qua đó có thể thấy là máy dò của chúng tôi có thể đo đạc được sự kiện vũ trụ hiếm nhất từng được ghi nhận”.

Nhóm hợp tác XENON vận hành XENON1T, một thùng 1.300 kilogram chất xenon lỏng siêu tinh khiết được che chắn khỏi các tia vũ trụ trong một máy điều lạnh đặt ở dưới độ sâu 1.500 mét nước dưới chân núi Gran Sasso ở Italy. Các nhà nghiên cứu đã dùng nó để tìm vật chất tối (vốn nhiều hơn 5 lần so với vật chất thông thường nhưng hiếm khi tương tác với vật chất thông thường) bằng việc ghi nhận những tia sáng nhỏ bé được tạo ra khi các hạt tương tác với xenon bên trong máy dò. Và trong khi XENON1T được thiết kế để nắm bắt sự tương tác giữa một hạt vật chất tối và một hạt nhân của nguyên tử xenon, máy dò thường chọn lấy những tín hiệu từ bất cứ tương tác nào với xenon.

Bằng chứng về sự phân rã xenon là việc một proton bên trong hạt nhân nguyên tử xenon được biến đổi thành một neutron. Trong phần lớn các nguyên tố tuân theo sự phân rã, nó xảy ra khi một electron được hút vào trong hạt nhân. Nhưng một proton trong nguyên tử xenon phải hấp thụ hai electron để biến đổi thành một neutron, một sự kiện vẫn được gọi là “bắt electron kép”.

Bắt electron kép chỉ xảy ra khi hai electron đều ở bên phải hạt nhân vào đúng thời điểm, Brown nói, vốn là “một điều hiếm gặp được nhân lên gấp bội bằng một điều hiếm gặp khác, nó tạo ra điều siêu hiếm”.

Khi hiện tượng siêu hiếm đó xảy ra, nghĩa là bắt electron kép xảy ra bên trong máy dò vật chất tối, các thiết bị bắt ngay lấy tín hiệu của các electron trong nguyên tử khi chúng tái sắp xếp để chiếm chỗ hai electron đã bị hấp thụ vào trong hạt nhân.

“Các electron trong bắt kép bị loại khỏi lớp vỏ trong cùng của nguyên tử xung quanh hạt nhân, và điều đó tạo ra chỗ trống trong chính lớp vỏ”, Brown nói. “Các electron còn lại suy sụp vào trạng thái nền này, và chúng tôi thấy tiến trình suy sụp này trong máy dò của chúng tôi”.

Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học đo đạc được sự bán rã của đồng vị xenon trong một quan sát trực tiếp phân rã phóng xạ của nó.

Bắt electron và bắt kép electron kép giải phóng hai neutrino. Nguồn: Nature

“Phát hiện hấp dẫn này làm mở rộng hơn các biên giới hiểu biết về những tính chất cơ bản nhất của vật chất”, Curt Breneman – người phụ trách The School of Science, nhận xét. Công trình của TS. Brown trong kiểm chuẩn máy dò và đảm bảo xenon được tinh chế để đạt tiêu chuẩn cao nhất có thể về độ tinh sạch, qua đó góp phần quan trọng vào sự thành công của quan sát”.

Nhóm hợp tác XENON Collaboration gồm hơn 160 nhà khoa học từ châu Âu, Mỹ, Trung Đông và kể từ năm 2002, đã vận hành ba máy dò xenon lỏng siêu nhạy ở Phòng thí nghiệm quốc gia Ý Gran Sasso. XENON1T, cỗ máy dò lớn nhất trong số những máy dò loại này được thiết kế và lắp đặt, cung cấp một lượng dữ liệu lớn từ năm 2016 đến tháng 12/2018, khi nó dừng hoạt động. Các nhà khoa học hiện đang nâng cấp thực nghiệm cho pha mới của XENONnT – một máy dò có khối lượng gấp ba lần XENON1T.