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

Một máy dò được thiết kế để tìm vật chất tối, khối lượng “bị mất” trong vũ trụ, đã nhìn thấy một sự phân rã hạt nhân hiếm có vẫn gọi là bắt electron kép giải phóng hai neutrino (two-neutrino double electron capture) – với những gợi ý về vật lý hạt nhân và vật lý hạt.

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.

Máy dò vật chất tối quan sát được sự phân rã hạt nhân ngoại lai
Máy dò vật chất tối XENON1T. (Nguồn: phys.org).

“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”.

Loading...

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.

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

Loading...
TIN CŨ HƠN
Các nhà khoa học phát hiện: Mặt Trăng đang co lại

Các nhà khoa học phát hiện: Mặt Trăng đang co lại

Mặt Trăng đang dần co lại, tạo ra những nếp gấp trên bề mặt và những trận động đất - đó là kết luận được giới khoa học công bố trên tạp chí Nature Geoscience ngày 13/5.

Đăng ngày: 15/05/2019
NASA ấp ủ đưa người phụ nữ đầu tiên lên Mặt trăng

NASA ấp ủ đưa người phụ nữ đầu tiên lên Mặt trăng

NASA có kế hoạch đưa người phụ nữ đầu tiên lên trên Mặt trăng vào năm 2024 và dự án này được đặt tên là Artemis.

Đăng ngày: 15/05/2019
SpaceX sắp phóng 60 vệ tinh internet tốc độ cao lên quỹ đạo

SpaceX sắp phóng 60 vệ tinh internet tốc độ cao lên quỹ đạo

Mục tiêu của SpaceX với các vệ tinh này là mang kết nối internet tốc độ cao đến bất kỳ đâu trên thế giới.

Đăng ngày: 14/05/2019
NASA lần đầu tiên chụp được ảnh

NASA lần đầu tiên chụp được ảnh "trăng tròn" của sao Hỏa

Lần đầu tiên, tàu vũ trụ quay quanh quỹ đạo sao Hỏa Odyssey của Cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) đã ghi lại được hình ảnh trăng tròn từ Mặt trăng Phobos của sao Hỏa.

Đăng ngày: 14/05/2019
Lộ diện khu vực triển khai căn cứ Mặt Trăng của Nga

Lộ diện khu vực triển khai căn cứ Mặt Trăng của Nga

Nga chế tạo trạm liên hành tinh tự động để nghiên cứu khu vực đặt căn cứ Mặt Trăng.

Đăng ngày: 14/05/2019

"Bão ánh sáng vũ trụ" từ quá khứ truyền tới Trái đất

Từ Trái đất, các nhà khoa học đã tìm ra những vật thể lạ lùng đang tỏa sáng dữ dội trên vũ trụ.

Đăng ngày: 13/05/2019
Thảm họa khủng khiếp gì sẽ xảy ra nếu Trái Đất có 67 mặt trăng?

Thảm họa khủng khiếp gì sẽ xảy ra nếu Trái Đất có 67 mặt trăng?

Thủy triều xảy ra bất thường, nhiều nhật thực và khó phóng tàu vũ trụ hơn có thể là hậu quả khi nhiều mặt trăng quay quanh Trái Đất.

Đăng ngày: 12/05/2019
Tiêu điểm
Khoa Học News