博科園：本文為粒子物理學類在義大利中部一座山的深處，科學家們正在為暗物質設置陷阱。誘餌嗎？一個裝滿3.5噸(3200公斤)純液態氙的大金屬罐。這種稀有氣體是地球上最清潔、最防輻射的物質之一，是捕捉宇宙中一些最稀有粒子相互作用的理想目標。德國明斯特大學(University of Munster)博士研究生克裡斯蒂安維特威格(Christian Wittweg)說：這一切聽起來都有點邪惡，每天上班感覺就像「拜訪邦德電影中的反派人物」。到目前為止，居住在山區的研究人員還沒有捕捉到任何暗物質。
但現他們成功地探測到了宇宙中最罕見的粒子相互作用之一。根據2019年4月24日發表在《自然》上的一項新研究，由100多名研究人員組成的研究小組首次測量了氙-124原子通過一種極其罕見的過程（雙中微子雙電子俘獲）衰變為碲-124原子的過程。當一個原子的原子核同時從外電子層吸收兩個電子時，就會發生這种放射性衰變，從而釋放出兩倍劑量，被稱為中微子的幽靈粒子。通過首次在實驗室中測量這種獨特的衰變，研究人員能夠精確地證明氙-124反應有多罕見，以及衰變需要多長時間。
研究成員們準備了暗物質探測器，裡面裝滿了約3.5噸(3200公斤)液態氙。儘管該小組尚未發現暗物質的蹤跡，但他們確實探測到了宇宙中第二長的放射性衰變。圖片：Xenon Collaboration氙-124的半衰期（也就是說，一組氙-124原子減少一半所需的平均時間）約為18萬億年(1.8 x 10^22年)。換句話說，如果6500萬年前恐龍滅絕時，有100個氙-124原子，從統計學上講，所有這100個原子今天都還在那裡。這是在實驗室中直接測量到的最長半衰期。宇宙中只有一個核衰變過程的半衰期更長：碲-128的衰變，它的半衰期是氙-124的100多倍。但這一極為罕見的事件只是在紙上計算出來。
珍貴的衰變
與更常見的放射性衰變形式一樣，當原子核中質子和中子的比例發生變化，原子失去能量時，就會發生雙中微子雙電子俘獲。然而，這一過程比更常見的衰變模式要挑剔得多，而且取決於一系列「巨大的巧合」。大量氙原子的存在使得這些巧合發生的可能性大大增加。氙-124原子都被54個電子包圍著，在圍繞原子核的朦朧外殼中旋轉。雙中微子雙電子捕獲發生在靠近原子核的殼層中，其中兩個電子同時進入原子核，分別撞擊一個質子，並將這些質子轉化為中子。
作為這種轉換的副產品，原子核會噴出兩個中微子，這是一種難以捉摸的亞原子粒子，不帶電荷，幾乎沒有質量，幾乎從不與任何東西發生作用。這些中微子飛向太空，科學家們無法測量它們，除非使用極其敏感的設備。為了證明雙中微子雙電子捕獲事件已經發生，氙研究人員轉而研究了衰變原子中留下的空白。電子被原子核俘獲後，原子殼層還剩下兩個空位。這些空缺是由更高的殼層填補，這就產生了電子和x射線的級聯。
這些x射線在探測器中儲存能量，研究人員可以從實驗數據中清楚地看到。經過一年的觀察，研究小組發現了近100個氙-124原子以這種方式衰變的例子，為這一過程提供了第一個直接證據。這個對宇宙中第二稀有衰變過程的新發現，並沒有讓氙團隊離發現暗物質更近一步，但它確實證明了探測器的通用性。研究小組的下一步實驗包括建造一個更大的氙氣罐——這個能容納8.8噸(8000公斤)以上的液體——以提供更多的機會來探測罕見的相互作用。
博科園-科學科普｜文: Brandon Specktor/Live Science參考期刊文獻:《自然》DOI: 10.1038/s41586-019-1124-4博科園-傳遞宇宙科學之美
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