在意大利中部的一座大山深处，科学家们正在为暗物质设置陷阱。诱饵？一个装满3.5吨(3200公斤)纯液态氙的大金属罐。这种稀有气体是地球上最清洁、最防辐射的物质之一，也是捕捉宇宙中一些最稀有粒子相互作用的理想目标。到目前为止，生活在山区的研究人员还没有捕捉到任何暗物质。
但是现在他们已经成功探测到宇宙中最罕见的粒子相互作用之一。根据2019年4月24日发表在《自然》杂志上的一项新研究，一个由100多名研究人员组成的研究小组首次通过一个极其罕见的过程(双中微子双电子俘获)测量了氙-124原子向碲-124原子的衰变。当原子核同时从外层电子层吸收两个电子，从而释放出两个剂量的被称为中微子的幽灵粒子时，就会发生这种放射性衰变。通过首次在实验室测量这种独特的衰变，研究人员可以准确地证明氙-124反应有多罕见，以及衰变需要多长时间。
研究人员已经准备了一个充满3.5吨(3200公斤)液态氙的暗物质探测器。尽管该小组没有发现任何暗物质的痕迹，但他们确实探测到了宇宙中第二长的放射性衰变。照片:氙合作
氙-124的半衰期(即一组氙-124原子减半所需的平均时间)约为18万亿年(1.8×10^22年)，约为宇宙当前年龄的1万亿倍。换句话说，如果在6500万年前恐龙灭绝时有100个氙-124原子，从统计上来说，所有100个原子今天仍然存在。这是实验室直接测量的最长半衰期。宇宙中只有一个核衰变过程具有更长的半衰期:碲-128的衰变，其半衰期是氙-124的100多倍。但这一极其罕见的事件只是纸上谈兵。
珍贵的腐烂
像更常见的放射性衰变形式一样，当原子核中质子与中子的比率发生变化，原子失去能量时，就会发生双中微子双电子俘获。然而，这一过程比更常见的衰变模式更为关键，并且依赖于一系列“伟大的巧合”大量氙原子的存在大大增加了这些巧合的可能性。氙-124原子被54个电子包围，在围绕原子核的模糊外壳中旋转。双中微子双电子俘获发生在原子核附近的壳层中，两个电子同时进入原子核，分别撞击一个质子，并将这些质子转化为中子。
作为这种转换的副产品，原子核发射出两个中微子，它们是难以捉摸的亚原子粒子，没有电荷，几乎没有质量，几乎从不与任何东西相互作用。这些中微子飞向太空，除非使用极其灵敏的设备，否则科学家无法测量它们。为了证明双中微子双电子俘获事件已经发生，氙研究人员转向衰变原子留下的空隙。电子被原子核俘获后，原子外壳中仍有两个空位。这些空位由更高的壳层填补，壳层产生电子和X射线的级联。
这些x光在探测器中储存能量，研究人员可以从实验数据中清楚地看到。经过一年的观察，研究小组发现了近100个氙-124原子以这种方式衰变的例子，为这一过程提供了第一个直接证据。这个宇宙中第二稀有衰变过程的新发现并没有让氙团队更接近于发现暗物质，但它确实证明了探测器的普遍性。该团队的下一个实验包括建造一个更大的氙罐，可以容纳超过8.8吨(8000公斤)的液体，以提供更多的机会来探测罕见的相互作用。