В 2019 году команда исследователей, участвующая в международном проекте XENON, стала свидетелем события, которое по праву можно назвать самым редким в истории наблюдений. Детектор, созданный для поиска неуловимой темной материи, неожиданно зафиксировал распад атома ксенона-124 с периодом полураспада в 18 секстиллионов лет.
Для сравнения: возраст Вселенной составляет примерно 13,8 миллиарда лет, а период полураспада ксенона-124 превышает это значение более чем в 1,3 триллиона раз. Если бы вся история мироздания уместилась в одну секунду, то полураспад ксенона-124 занял бы более 40 000 лет!
Период полураспада — это время, за которое распадается половина атомов радиоактивного вещества. Важно понимать, что каждый отдельно взятый атом распадается абсолютно случайно и непредсказуемо — один может "прожить" секунду, другой — миллиарды лет. Но когда атомов очень много (триллионы триллионов), статистика позволяет достаточно точно предсказать, что половина распадется за определенное время — это и есть период полураспада.
Когда мы слышим о радиоактивном распаде, обычно речь идет об элементах, которые распадаются за секунды или часы. Но есть и более стабильные элементы. Например, уран-238 имеет период полураспада 4,5 миллиарда лет, а у ксенона-124 этот показатель в 4 триллиона раз больше!
Как удалось зафиксировать "невозможное"?
Детектор XENON содержит две тонны жидкого ксенона — около 10 000 триллионов триллионов атомов. При таком колоссальном количестве материала теоретически можно ожидать (ключевое здесь "теоретически") один распад каждые несколько минут, несмотря на астрономически малую вероятность события.
Однако наблюдение за атомами кардинально отличается от подсчета видимых объектов макромира. Это не горстка красных шариков в белой комнате, где можно увидеть, как один из них вдруг стал синим. Для фиксирования событий такого рода ученые ищут едва заметные признаки распада — вспышки излучения, изменения энергии или появление продуктов распада.
За 177 дней непрерывных наблюдений команда проекта XENON зарегистрировала девять подобных событий. Это впечатляющий результат, учитывая, что застать такие редкие процессы "на месте преступления" невероятно — просто запредельно — сложно.
Еще более впечатляющий пример — протон, основа каждого атома. Некоторые физические теории предсказывают, что протоны тоже могут распадаться, но период их полураспада составляет не менее 1,67 миллиарда триллионов триллионов лет — в 100 миллиардов раз дольше, чем у ксенона-124. До сих пор ни один распад протона не был зарегистрирован, но ученые не сдаются. Почему это гипотетическое событие столь желанно? Об этом я рассказывал ЗДЕСЬ.
Успешная регистрация распада ксенона-124 демонстрирует поразительные возможности современной физики — фиксировать события, для которых вся история Вселенной кажется мгновением. Это открытие не только углубляет понимание фундаментальных космических процессов, но и совершенствует технологии поиска темной материи.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.