暗物質探測器觀察到氙同位素衰變過程半衰期1.8×10^21年

上周，國內外媒體爭相報道了暗物質探測器領域的一個重磅新聞，因為科學家們罕見地探測到了半衰期長達 1.8×10^22 年的氙同位素衰變，比已知的宇宙年齡還要長。據悉，半衰期是材料穩定性的一個衡量標準，表明了預期半數原子衰變所需的時間。此前，「氙-124」半衰期已被認為是約 160 萬億年。但在新的觀察結果面前，那也不過是「彈指一瞬間」。

氙同位素半衰期實驗主罐體（圖自：The Xenon Collaboration）

近日發表在《自然》（Nature）期刊上的研究報道指出，氙-124 的半衰期達到了人類難以理解的 18×10^21 年（10^21 可被稱作 sextrillion）。

作為對比，目前已知的宇宙年齡（138 億年），也不到它的萬億分之一。在材料領域，氙-124 具有最長的半衰期。

前紀錄保持者（鉍-209）也才 19×10^18 年（10^18 可稱作 quintillion）。

由於半衰期久得不可思議，對其衰變的觀測，也顯得極為罕見。為增加觀測的幾率，科學家們只能想辦法囤積超大數量的氙同位素。

在 XENON1T 實驗中，科學家們就在一個容器里裝入了 1.3 噸（,866 磅）的液體氙。

容器外設置了極其敏感的探測器，以觀察衰變事件發射出來的光子和其它粒子。

Christopher Tunnell 與 XENON1T 裝置的合影（via：Rice University）

在對為期一年的數據進行分類後，研究人員們找到了數十起此類衰變報告。

在物理學上，這類事件被稱作電子俘獲（Electron Capture）。當一個電子進入原子核後，質子變成了中子，這就是一次衰變。

然而在此例中，研究人員首次觀察到了神奇的『雙電子俘獲』現象。

研究合著者 Christopher Tunnell 表示：「正常情況下，會有一個電子進來，然後一個中微子出去」。

原子核驅逐其質量（中微子）的時候，所涉及的能量是是一個固定值。在核粒子物理學中，這是一個相當常見、且易於理解的過程。

但是此前，我們從未見過有兩個電子同時進入原子核，並擠出兩個中微子。

需要指出的是，儘管這項發現極具開創性，但這其實並不是 XENON1T 實驗的主要目標。

據悉，XENON1T 實驗旨在找尋暗物質存在的線索。這種難以捉摸的物質，佔據了宇宙總質量的大頭（與普通物質的比例可達 5:1）。

科學家們原本希望，這些實驗能夠幫助觀察到罕見的『暗物質與正常物質的相互作用』事件。但沒想到歪打正著，讓研究人員得出了其它有趣的結論。

有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《自然》（Nature）期刊上。原標題為：

《Observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T》

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