A cosa pensate se vi si chiede di quantificare o illustrare l’età dell’Universo? Come spieghereste 13 miliardi di anni ad un bambino? Un’impresa alquanto ardua e impossibile… E 26 miliardi di miliardi di anni? Come ve li immaginate?

Dalla materia oscura al decadimento dello xenon

Più che immaginarli, potremmo dire che in qualche modo li abbiamo vissuti almeno dal punto di vista fisico e sperimentale: una collaborazione tra INFN (Istituto Nazionale Fisica Nucleare) e LNGS (Laboratorio Nazionale del Gran Sasso) ha registrato, e riportato su Nature, la prima misura diretta del decadimento dell’isotopo xenon-124.

Scientificamente, l’esperimento ha registrato la così chiamata doppia cattura elettronica (2vECEC), la quale si è rivelata una sorpresa per un duplice fatto: in primis, il progetto XENON1T (questo è il nome dello strumento lavoro accuratamente realizzato) è stato in grado di rilevare un processo che accade con frequenza mille miliardi di volte maggiore alla vita stessa dell’Universo, e in secondo luogo il suo scopo è lo studio della materia oscura, la “parte mancante” dell’Universo di cui gli scienziati sono instancabilmente alla ricerca.

Cosa si intende per decadimento dello xenon-124

Ogni processo di decadimento, proprio come quello osservato, ha una certa vita media o tempo di dimezzamento, che non sono altro che la probabilità che un nucleo decada.

Di cosa stiamo parlando? L’argomento è assai complesso, ma in un linguaggio piuttosto accessibile possiamo definire il decadimento come la trasformazione di una particella elementare o di un nucleo atomico in oggetti differenti quando vi è uno stato di instabilità. Per andare più a fondo nella materia, servirebbero non poche conoscenze di fisica della particella, nucleare e subnucleare.

La straordinarietà di XENON1T è proprio qui: per osservare la materia oscura, è necessaria la realizzazione di uno strumento altamente sensibile ed esente dal rumore di fondo e, dichiara Marco Selvi, responsabile nazionale INFN dell’esperimento:

La grande attenzione dedicata in fase di progetto e costruzione a ridurre il fondo radioattivo naturale dello strumento si rivela nuovamente fondamentale per riuscire a osservare processi rari, addirittura al di là degli obiettivi principali per cui è stato progettato il nostro esperimento.

Il processo osservato prevede la trasformazione dello xenon-124 in tellurio-124, e ciò che accade è che due protoni del nucleo dello xenon catturano letteralmente due elettroni del primo livello immediatamente circostante, trasformandosi in due neutroni con l’emissione di due neutrini. La nube elettronica che circonda il nucleo di xenon avverte la mancanza di elettroni nel primo livello energetico, che ha ovviamente reso instabile l’atomo: si attua così un processo di, potremmo dire, compensazione di questa assenza, con l’emissione di un certo quantitativo energetico.

decadimento xenon
Decadimento: da xenon a tellurio.
Crediti: www.nature.com

Dunque, il quantitativo di energia misurato dal rivelatore, pari a circa 64keV e nettamente diverso rispetto all’energia presente nel rivelatore stesso, ha consentito, con un tempo di osservazione di circa 180 giorni, di captare questo importantissimo processo e di poterne stimare la vita media. Di qui la scoperta del decadimento xenon-124.

Lo strumento che ha rilevato il decadimento dello xenon-124

Il sofisticatissimo strumento alla base dell’esperimento XENON è una camera a proiezione temporale, ossia un rivelatore di particelle ideato da Davide Nygren. La camera è di forma cilindrica, è riempita di gas ed è divisa in due metà con l’applicazione di una forte tensione da un elettrodo centrale che genera un campo elettrico che va dal centro alle basi del cilindro.

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XENON1T: lo strumento che ha captato il decadimento xenon.
Crediti: www.inspirehep.net

Nel caso particolare, la camera a proiezione temporale ha un metro di diametro ed uno di altezza ed è riempita con xenon liquido/gassoso, tenuto alla temperatura di -95° e con una densità ben tre volte superiore rispetto a quella dell’acqua, valore a quanto pare chiave per la riuscita di un’osservazione simile. Come già ribadito, l’alta sensibilità delle strumento, ideato per captare informazioni sulla materia oscura per cui è necessaria un’energia di circa 10keV, è stato in grado di raggiungere livelli energetici assai più elevati, che hanno permesso l’osservazione di fenomeni di emissione di deboli lampi di luce, nonché di elettroni, che hanno condotto agli straordinari risultati di cui sopra.

Si cominciano quindi a percepire la rarità, la delicatezza e l’importanza dell’evento, che hanno mostrato quanto la fisica subnucleare e quella particellare abbiano fatto passi da gigante.

Quel che va sottolineato è che la rarità dell’evento è insita nel fatto che non si tratta di un semplice decadimento per cattura, in cui un elettrone è catturato dal suo stesso nucleo con emissione di un neutrino, ma bensì di una doppia cattura che accade raramente e solo per isotopi particolari (nel nostro caso, xenon-124), e che nel caso specifico avviene ogni 26 miliardi di miliardi di anni.

Fonti:

 http://home.infn.it/it/comunicazione/comunicati-stampa/3533-lngs-xenon1t-ha-misurato-il-processo-piu-raro-osservato-nell-universo?fbclid=IwAR0n18RzI8qOAEImwK-y-oeYxl3iXpIGCJ9brD4r4V8MvF-FlllC5oJz9vg

https://www.nature.com/articles/d41586-019-01212-8?fbclid=IwAR2kubPEqoc0YAXiQwezT42gDAXoX61H1avO9nZbXtmONcg0Vun-AQ99BVM

Paper: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1124-4