La vida útil de un solo átomo de xenón

Detector XENON1T. La instalación crea un campo eléctrico para obligar a los portadores de carga a flotar hacia los detectores, y asi poder determinar la profundidad a la que ocurre el evento. También el dispositivo presenta fotodetectores que corrigen los destellos de luz de los decaimientos y otras interacciones.

Colaboración XENON1T

Físicos midieron la vida media del tercer isótopo conocido xenón 124: es de aproximadamente 20 sextilones, un record entre los isótopos inestables estudiados. Esto significa que la vida útil promedio de un solo átomo de xenón 124 es dos billones de veces más extensa que la edad actual del Universo. El estudio completo fue publicado por la Colaboración XENON en la revista Nature; y su resumen está disponible en el sitio web oficial del grupo científico.


La vida media es un parámetro clave que permite comprender qué tan activo es un isótopo. Por ejemplo, el radón (fuente natural de fondo de radiación) es extremadamente activo: la vida media de su isótopo más estable es menor a 4 días. El potasio 40, (40K), componente del cuerpo humano, tiene una vida media de 1.300 millones de años. Y el isótopo más estable del bismuto (que durante mucho tiempo se había considerado el elemento estable más pesado) tiene una vida media de 4.6 × 10 19 años: 3.000 millones de veces más que la edad del Universo.

Half-life
Cuanto más corta sea la vida media, más a menudo se descompondrá una muestra que contenga el mismo número de núcleos isotópicos. Por ejemplo, en una muestra de un millón de átomos, aproximadamente la mitad se desintegrarán durante la vida media. Estimar el promedio de la vida útil de un átomo aislado, el valor de la vida media debe multiplicarse por aproximadamente 1.45 (el logaritmo natural inverso de dos).

No menos importante son los mecanismos de desintegración radiactiva: alfa, decaimientos beta, transiciones gamma, fisión espontánea, emisión de protones o agrupaciones de nucleones. Las desintegraciones beta ocurren con la participación de electrones o positrones. Por ejemplo, en uno de ellos, el neutrón del núcleo se descompone en un protón, un electrón y un electrón antineutrino.

En este caso, la carga del núcleo se incrementa en uno. En la desintegración beta del positrón, la interacción débil transforma un protón en un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico. Además, la captura de electrones se refiere a este grupo de desintegraciones: el protón captura uno de los electrones ubicados en la capa más cercana al núcleo y se convierte en un neutrón, emitiendo un neutrino electrónico. Esta es una de las dos vías principales para la descomposición del potasio 40.

El núcleo atómico es bastante complicado y resulta que para algunos de ellos, las desintegraciones ordinarias están prohibidas. Por ejemplo, la captura de electrones es característica de los núcleos abundantes en protones, y si el yodo 124 se convierte fácilmente en telurio 124, entonces el xenón 124 (aún más abundante en protones) no se transforma en yodo 124. Esta descomposición está prohibida por la ley de conservación de la energía (el yodo 124 es el 0,0003 % más pesado que el xenón 124). Pero para tales núcleos es posible hacer una doble descomposición: el núcleo de xenón puede capturar simultáneamente dos electrones de la capa interna de un átomo, convertir dos protones en neutrones (convirtiéndose en un telurio) y emitir dos neutrinos electrónicos a la vez. La probabilidad de este proceso es extremadamente pequeña y, por lo tanto, la vida útil de tal núcleo es enorme. Desintegrarse no es para nada secillo.
El cazador de materia oscura
El detector experimental XENON1T (diseñado para encontrar partículas masivas de materia oscura que interactúan débilmente) es perfectamente adecuado para la búsqueda de desintegraciones de los núcleos de xenón. Consiste en 3.5 toneladas de xenón líquido purificado mantenido a una temperatura de -95 grados Celsius, de las cuales alrededor de 1.3 toneladas se encuentran en el área de trabajo. Por tonelada de una mezcla de isótopos en el detector, se calcula aproximadamente un kilogramo de xenón 124.

La instalación aloja detectores fotosensibles que reaccionan a los débiles destellos de luz, ya sea por carencias radioactivas, como por las interacciones con la materia oscura. Además, posee otra serie de detectores capturadores de partículas cargadas, fruto de las interacciones. Para aislar los dispositivos de las partículas cósmicas, la instalación se encuentra a una profundidad de 1.5 km por debajo de la cordillera Gran Sasso, en Italia.

Los físicos acumularon datos sobre desintegraciones en el detector durante más de 200 días. Las señales correspondientes a la captura de doble electrón en el xenón 124, fueron determinadas por la energía total liberada en las llamaradas durante la descomposición. Su fuente son los rayos X y los electrones Auger expulsados ​​de un átomo después de la descomposición y la interacción con los átomos de xenón circundantes. En total, tras un cuidadoso análisis del ruido de fondo, lograron acumular 126 ± 29 eventos, es decir, la significación estadística de la observación es de 4.4 sigma. Teniendo en cuenta el número total de átomos de xenón en la instalación, la vida media del xenón 124 medida directamente es de 1.8 × 10 22 años.

En el experimento resulta muy difícil atrapar los neutrinos electrónicos emitidos durante la descomposición, debido a que estas partículas interactúan muy débilmente con la materia. Sin embargo, el nacimiento de un par de neutrinos del mismo tipo en este proceso es una buena oportunidad para probar la hipótesis sobre la naturaleza de los fermiones de Majorana. Esta hipótesis sugiere que los neutrinos son antipartículas en sí mismas, lo que significa que los neutrinos del mismo tipo pueden autoaniquilarse. Si bien esta hipótesis fue probada solo durante el doble decaimiento "habitual", los físicos están tratando de ver una escasez de neutrinos nacidos en este proceso.

Los científicos esperan que la versión actualizada del detector de 8 toneladas - XENONnT en proceso actual de instalación, pueda unirse a la búsqueda de desintegraciones beta doble sin neutrinos.

Es interesante observar que el xenón 124 no es el único isótopo para el cual se confirma el mecanismo de descomposición a través de la captura de doble electrón. En 2013, físicos del Observatorio de Neutrinos de Baksana describieron una doble captura de electrón para el krypton 78, con una vida media de aproximadamente 1.9 × 10 22 años. Sin embargo, el error estadístico del resultado fue aproximadamente dos veces mayor que el de XENON1T. También sobre la base de datos geoquímicos, se demostró la posibilidad de doble captura de electrón para el isótopo de bario 130.

Mientras algunos persiguen descular el fin de la vida isotópica, otros presencian su inicio. Anteriormente físicos japoneses observaron en vivo y por primera vez el nacimiento de isótopos radiactivos, predicho por teóricos, durante un rayo.https://nmas1.org/news/2019/04/25/isotopos-vida-util-desintegracio