Темная материя до сих пор остаётся одним из самых мучительных вопросов науки. Её искали самыми разными способами, но так и не нашли. Но это не напрасная работа. Иногда она даёт очень интересные побочные результаты. В апреле 2019 года исследователи, анализирующие данные детектора темной материи «XENON1T», объявили о том, что стали свидетелями чрезвычайно редкого события. О назначении данного научного устройств можно догадаться по его названию. Это огромный резервуар, заполненный 3.2 тоннами ксенона, охлажденного до -96 градусов по Цельсию. При этом расчётная масса отслеживания составляла 1 тонну ксенона в год, отсюда и «1T» в наименовании.
Что учёные делали с этим инертным газом? Искали с его помощью тёмную материю. Вернее, одного из основных претендентов на это почётное звание — слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP). Считается, что они очень тяжелы, медленны, поэтому практически не вступают во взаимодействие с обычной материей. Несмотря на то, что теоретически около миллиарда их каждую секунду проходит через любой квадратный метр поверхности Земли.
Учёные надеялись, что гигантский резервуар с ксеноном позволит им заметить, как WIMPстолкнется с каким-нибудь атомом, передаст ему некоторую энергию, что, в свою очередь, возбудит другие атомы ксенона. Данный процесс можно будет идентифицировать по слабому ультрафиолетовому свечению и следовым количествам электрического заряда. Обнаруживающие их сенсоры установлены в верхней и нижней части резервуара. Чтобы защитить эксперимент от ложных срабатываний, которые могли быть спровоцированы, например, космическими лучами, бак с ксеноном был помещён под итальянскую гору на глубину в 1400 метров. Мало того, он расположился под огромным, высотой в три этажа, баком с водой. После начала эксперимента установка работала «вслепую», то есть исследователи не имели доступа к данным до окончания их анализа.
Результаты были получены. Но по отсутствию шумихи в мировой прессе вы легко можете понять, что речь не идёт об обнаружении темной материи. «XENON1T» добросовестно собирал данные с 2016-го по 2018 год, но не обнаружил никаких признаков WIMP. Эксперимент, тем не менее, провальным назвать нельзя. Потому что кое-какое уникальное наблюдение всё же было сделано. Науке известно девять изотопов ксенона. На долю ксенона-124 приходится всего около 0.001% от общего количества. Этот изотоп считался относительно стабильным, но все равно распадался на теллур-124 — посредством исключительно редкого процесса двухнейтринного двойного электронного захвата. Это событие происходит, когда два протона ядра одновременно выдирают два электрона из внутренней части оболочки, превращаясь в нейтроны и выпуская два нейтрино. Когда электроны из внешних слоёв переходят вниз, чтобы заполнить образовавшиеся места, они испускают рентгеновские лучи и освобождают другие электроны.
Но признаки этого процесса очень трудно обнаружить, так как они могут маскироваться фоновым излучением. Поэтому какое-то время считалось, что период полураспада ксенона-124 составляет около 160 триллионов лет. «XENON1T» разрабатывался как максимально чувствительное устройство с полной изоляцией от фоновых источников, и после обработки данных исследователи заметили 126 сигналов, соответствовавших двойному электронному захвату ксенона-124. Это позволило вычислить истинный период полураспада этого элемента. Это оказалось очень большое число — 18 секстиллионов лет. Это 18 с 21 нулём — что в триллионы раз больше, чем текущий возраст Вселенной. Это самый большой период полураспада из измеренных. На второе место переместился висмут-209 — у него 19 квинтиллионов лет.
В общем, несмотря на то, что «XENON1T» не обнаружил тёмную материю, исследователи не остались с пустыми руками. Это не только признание внутри научного сообщества, но ещё и демонстрация сверхчувствительности созданного ими инструмента. При этом отказываться от поисков тёмной материи они не собираются — сегодня строится резервуар, который вместит уже 8 тонн ксенона.
