• 21.05.2019
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L’esperimento XENON1T nei Laboratori Italiani del Gran Sasso ha misurato il decadimento più lento mai osservato

Gli atomi di Xenon-124 si prendono il loro tempo

XENON1T installation in the underground hall of Laboratori Nazionali del Gran Sasso. The three storey building houses various auxiliary systems. The cryostat containing the LXeTPC is located inside the large water tank next to the building.
Immagine: by Roberto Corrieri and Patrick De Perio
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XENON1T installation in the underground hall of Laboratori Nazionali del Gran Sasso. The three storey building houses various auxiliary systems. The cryostat containing the LXeTPC is located inside the large water tank next to the building.
XENON1T installation in the underground hall of Laboratori Nazionali del Gran Sasso. The three storey building houses various auxiliary systems. The cryostat containing the LXeTPC is located inside the large water tank next to the building. (Immagine: by Roberto Corrieri and Patrick De Perio)

I rifiuti radioattivi provenienti dai reattori nucleari possono prendere un tempo molto lungo a decadere. Il Plutonio-239 ha un tempo di dimezzamento – che è il tempo impiegato dalla metà degli atomi considerati a decadere – di non meno di 24’000 anni. Ma questo è niente in confronto al tempo di dimezzamento del gas nobile Xenon-124, come è dimostrato da un gruppo di ricercatori internazionali con collaboratori provenienti dall’Università di Zurigo.

In fisica le cose qualche volta vanno molto velocemente, a volte molto lentamente. La velocità della luce è molto rapida, per esempio: le onde elettromagnetiche viaggiano ad una velocità di 300'000 km al secondo e impiegano appena più di un secondo per raggiungere la Luna dalla Terra. Altri processi prendono più tempo, altri ancora molto più tempo. I fisici che lavorano nell’esperimento XENON in Italia hanno recentemente scoperto un processo di disintegrazione di una inimmaginabile lentezza: c’è bisogno, crediatelo o no, di 1.8 x 1022 anni per 50 dei 100 atomi del gas nobile Xenon-124 per decadere. Il tempo di dimezzamento dell’isotopo instabile di xenon è quindi un bilione (mille miliardi) di volte più lungo dell’età dell’universo. È il processo piu’ lento di questo genere mai misurato in un rivelatore. Gli scienziati hanno recentemente pubblicato questo risultato sul giornale Nature.

Protoni che catturano elettroni

Il decadimento radioattivo avviene quando nuclei atomici si trasformano in un nucleo più stabile e allo stesso tempo rilasciano energia. I decadimenti possono essere di diverso tipo. Uno di questi è chiamato ‘cattura elettronica’: in questo caso i protoni (la cui carica elettrica è positiva) del nucleo atomico si legano agli elettroni (carichi negativamente) e formano quindi dei neutroni. Questo processo può essere osservato anche con lo xenon-124, un atomo che contiene 54 protoni e 70 neutroni. Se quest’atomo decade, due protoni catturano simultaneamente due elettroni che orbitano nell’orbitale più interno dell’atomo e formano due neutroni emettendo due neutrini. Ora, poiché mancano due elettroni, gli elettroni più esterni si spostano dall’orbitale più esterno verso i due posti liberi dell’orbitale interno ad energia più bassa. Di conseguenza in questo processo viene emessa dell’energia che avviene o sotto forma di due raggi X simultanei o con l’emissione di altri due elettroni chiamati elettroni Auger [1].

Misurando la radiazione X e gli elettroni Auger, i fisici dell’esperimento XENON sono stati capaci di osservare sperimentalmente il decadimento degli atomi di Xenon-124 e di determinare l’incredibile lunghezza del tempo di dimezzamento del gas nobile. Gli scienziati hanno estratto la loro misura dai dati raccolti da XENON1T durante un anno, dai dati hanno trovato esattamente 126 decadimenti.

Un serbatoio con 3.2 tonnellate di Xenon liquido

L’esperimento XENON è uno tra gli esperimenti che al momento sono attivi al Laboratorio del Gran Sasso, 120 Km nord-est di Roma. Il Laboratorio, che appartiene all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), è situato nelle montagne del Gran Sasso. Uno strato roccioso di 1400 metri protegge le tre caverne in cui vengono effettuati gli esperimenti contro l'influenza disturbante della radiazione cosmica. Il rilevatore XENON1T è il terzo di una famiglia di progetti XENON, dopo XENON10 e XENON100. Centosessanta fisici provenienti da Europa, Stati Uniti e Medio Oriente stanno partecipando agli esperimenti del rivelatore. Questo include il gruppo di ricerca di Laura Baudis, professore di fisica delle particelle all'Università di Zurigo.

"Il rilevatore XENON1T è un serbatoio cilindrico con 3,2 tonnellate di xenon liquido raffreddato a -95 ° C. Questo lo rende la più grande camera a proiezione temporale (TPC) di questo tipo di costruzione fino ad oggi", afferma Laura Baudis. La Svizzera è stata fortemente coinvolta nel progetto del rivelatore sin dall'inizio, come sottolinea Baudis: "Eravamo responsabili di testare i nuovi fotosensori sensibili alla radiazione ultravioletta del vuoto, che abbiamo eseguito nel nostro laboratorio di Zurigo utilizzando lo xenon liquido.

Inoltre, eravamo responsabili dello sviluppo e della costruzione dell'elettronica per la lettura dei fotosensori e abbiamo costruito e gestito il sistema di calibrazione dei fotosensori. Abbiamo anche svolto un ruolo di primo piano nella progettazione e costruzione del rivelatore interno (la camera a proiezione temporale) e condotto i test di raffreddamento. Abbiamo anche testato molti materiali per il rivelatore per misurarne la loro radioattività con il nostro rilevatore Ge (Gator) presso il laboratorio del Gran Sasso. Questo è stato fondamentale per mantenere basso il rumore di fondo - ovvero il basso impatto delle influenze disturbanti - del rilevatore XENON1T. "

Alla ricerca della materia oscura

L'obiettivo principale dell'esperimento XENON situato nel cuore dei Monti del Gran Sasso è quello di rilevare la materia oscura, una forma di materia la cui esistenza la maggior parte dei fisici è convinta, ma che non è ancora stata dimostrata. I ricercatori di undici paesi che partecipano all'esperimento XENON sperano di essere in grado di provare l'esistenza di particelle di materia oscura in collisione con gli atomi di xenon. La teoria prevede che in tali collisioni venga emesso un debole raggio di luce ultravioletta, che può essere rilevato con i sensori del rivelatore. Allo stesso tempo, i sensori dovrebbero rilevare la bassa carica elettrica rilasciata dal processo di collisione.

Il grande obiettivo - l'individuazione della materia oscura - non è stato ancora raggiunto con l'esperimento XENON. Comunque - quasi incidentalmente – la vita media dello xenon-124 è stata determinata. L'Università di Zurigo è stata determinante nell'analisi dei dati. "Per me, queste misurazioni mostrano l'incredibile sensibilità del rilevatore XENON1T per registrare eventi estremamente rari", afferma Laura Baudis sull'importanza della misurazione recente. "Dopo aver misurato il debole processo di interazione dell'acquisizione di due elettroni nello xenon-124 per la prima volta, possiamo usarlo per testare modelli che predicono tale vita media. Questi sono anche importanti per le previsioni di decadimento dello xenon-124 senza neutrini, che si dovrebbe verificare secondo le previsioni teoriche. "

Ulteriori aggiornamenti pianificati

Al fine di rendere il rilevatore XENON ancora più sensibile di quanto non sia già, verrà aggiornato a XENONnT, che conterrà 8.4 t di xenon rispetto alle 3.2 t dell’esperimento attuale. Successivamente, sotto il nome del progetto DARWIN, i fisici delle particelle vogliono aumentare la quantità di Xenon nel rivelatore ancora di più a 50 t. La caccia alla materia oscura e la comprensione approfondita dei neutrini è appena iniziata.

Author: Benedikt Vogel

Per più informazioni sull'esperimento XENON: www.xenon1t.org

[1] La lunga vita media della cattura a doppio elettrone rende l'evento estremamente raro e il processo è sfuggito al rilevamento per decenni. In 2ECEC, due protoni in un nucleo sono simultaneamente convertiti in neutroni mediante l'assorbimento di due elettroni da uno dei gusci atomici e l'emissione di due neutrini elettronici (νe). Dopo la cattura dei due elettroni atomici, principalmente dal guscio K, il riempimento dei posti vacanti si traduce in una cascata rilevabile di raggi X e elettroni Auger. L'energia di legame nucleare Q rilasciata nel processo (dell'ordine di 1 MeV) viene trasportata per lo più dai due neutrini, che non vengono rilevati all'interno del rivelatore. Pertanto, la firma sperimentale appare nella gamma kiloelectronvolt, piuttosto che nella megaelettronvolt. Il processo è illustrato in Fig. 1. Schematic of two-neutrino double electron capture. Link all'articolo sul giornale Nature.

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