No fundo de uma montanha no centro da Itália, os cientistas estão preparando uma armadilha para a matéria escura. A ísca? Um grande tanque de metal cheio de 3,5 toneladas (3.200 kg) de xenônio líquido puro. Esse gás nobre é uma das substâncias mais limpas e à prova de radiação da Terra, tornando-o um alvo ideal para capturar algumas das mais raras interações de partículas no universo.
Tudo parece vagamente sinistro; disse Christian Wittweg, candidato a doutorado na Universidade de Münster na Alemanha, que trabalha com a chamada colaboração Xenon há meia década, trabalhar todos os dias parece "fazer uma visita a um vilão de Bond". Até agora, os pesquisadores das montanhas não capturaram nenhuma matéria escura. Mas eles recentemente conseguiram detectar uma das mais raras interações de partículas no universo.
De acordo com um novo estudo publicado hoje (24 de abril) na revista Nature, a equipe de mais de 100 pesquisadores mediu, pela primeira vez na história, a decadência de um átomo de xenônio-124 em um átomo de telúrio 124 através de um processo extremamente raro chamado captura de elétrons duplos de dois neutrinos. Esse tipo de decaimento radioativo ocorre quando o núcleo de um átomo absorve dois elétrons de sua camada externa de elétrons simultaneamente, liberando assim uma dose dupla das partículas fantasmagóricas chamadas neutrinos.
Ao medir esse decaimento único em laboratório pela primeira vez, os pesquisadores conseguiram provar com precisão o quão rara é a reação e quanto tempo leva para o xenônio-124 decair. A meia-vida do xenônio-124 - ou seja, o tempo médio necessário para um grupo de átomos de xênon-124 diminuir pela metade - é de cerca de 18 sextilhões de anos (1,8 x 10 ^ 22 anos), aproximadamente 1 trilhão de vezes a idade atual Do universo.
Isso marca a meia-vida mais longa já medida diretamente em um laboratório, acrescentou Wittweg. Apenas um processo de decaimento nuclear no universo tem uma meia-vida mais longa: a decadência do telúrio-128, que tem uma meia-vida mais de 100 vezes maior que a do xenônio-124. Mas esse evento extremamente raro foi calculado apenas no papel.
Uma decadência preciosa
Como nas formas mais comuns de decaimento radioativo, a captura de elétrons duplos de dois neutrinos ocorre quando um átomo perde energia à medida que a proporção de prótons e nêutrons no núcleo atômico muda. No entanto, o processo é muito mais exigente que os modos de decaimento mais comuns e depende de uma série de "coincidências gigantescas", disse Wittweg. Ter toneladas literais de átomos de xenônio para trabalhar aumentou muito as chances dessas coincidências.
Eis como funciona: todos os átomos de xenônio-124 são cercados por 54 elétrons, girando em conchas nebulosas ao redor do núcleo. A captura de elétrons duplos de dois neutrinos ocorre quando dois desses elétrons, em conchas próximas ao núcleo, migram simultaneamente para o núcleo, colidindo com um próton cada um e convertendo esses prótons em nêutrons. Como subproduto dessa conversão, o núcleo cospe dois neutrinos, partículas subatômicas indescritíveis, sem carga e praticamente sem massa, que quase nunca interagem com nada.
Esses neutrinos voam para o espaço e os cientistas não podem medi-los a menos que usem equipamentos extremamente sensíveis. Para provar que ocorreu um evento de captura de elétrons duplos de dois neutrinos, os pesquisadores do Xenon observaram os espaços vazios deixados para trás no átomo em decomposição.
"Depois que os elétrons são capturados pelo núcleo, restam duas vagas na carcaça atômica", disse Wittweg. "Essas vagas são preenchidas com conchas mais altas, o que cria uma cascata de elétrons e raios-X".
Esses raios X depositam energia no detector, que os pesquisadores podem ver claramente em seus dados experimentais. Após um ano de observações, a equipe detectou cerca de 100 instâncias de átomos de xenônio-124 se deteriorando dessa maneira, fornecendo a primeira evidência direta do processo.
Essa nova detecção do segundo processo de decaimento mais raro do universo não aproxima a equipe do Xenon de encontrar matéria escura, mas prova a versatilidade do detector. O próximo passo nas experiências da equipe envolve a construção de um tanque de xenônio ainda maior - este capaz de armazenar mais de 8,8 toneladas (8.000 kg) de líquido - para fornecer ainda mais oportunidades para detectar interações raras, disse Wittweg.
