Un equipo de científicos ha conseguido, por primera vez, observar la desintegración radiactiva del xenón-124, un proceso que tarda en completarse más de un billón de veces la edad del Universo
¿Cómo observar un proceso que tarda en completarse más de un billón de veces la edad del Universo? Por increíble que parezca, un equipo de investigadores de la colaboración XENON, el detector de materia oscura más sofisticado y sensible que existe, lo ha conseguido. Se trata, sin duda, del evento más extraño jamás registrado por la Física.
El detector, que consiste en 1.300 kg de xenón líquido, ha sido especialmente diseñado para localizar a las que son, sin duda, las partículas más esquivas de todo el Universo: las que forman la materia oscura, ese "otro" tipo de materia, cinco veces más abundante que la materia "ordinaria" (de la que están hechas todas las estrellas y galaxias que podemos ver) y que nadie, hasta el momento, ha conseguido observar.
Y aunque aún no han localizado materia oscura, los investigadores han anunciado, en un artículo recién publicado en Nature, que han sido capaces de observar un proceso igualmente interesante: la descomposición radiactiva del isótopo xenón-124, cuya vida media es, ni más ni menos, que de 1.8 x 10 elevado a 22 años. Una cifra que no podríamos escribir ni aunque juntáramos todo el papel disponible en el mundo.
Bajo el Gran Sasso
"Realmente vimos cómo esa descomposición sucedía -explica Ethan Brown, coautor del estudio-. Se trata del proceso más largo y lento de cuantos se hayan observado directamente, y nuestro detector de materia oscura ha resultado ser lo suficientemente sensible como para medirlo. Es absolutamente asombroso haber podido presenciar este proceso, y eso nos dice que nuestro detector es capaz de medir los procesos físicos más raros que existen".
La colaboración XENON opera el detector XENON1T, una cuba en cuyo interior hay 1.300 kg de xenón líquido superpuro, protegido de la acción de los rayos cósmicos por un criostato sumergido en agua a una profundidad de 1.500 metros bajo la superficie de la cordillera del Gran Sasso, en Italia. Allí, y a salvo de cualquier perturbación o interferencia exterior, los investigadores tratan de localizar partículas de materia oscura, de la que se cree que rara vez interactúa con la materia ordinaria.
Pero si una de esas interacciones se produjera algún día dentro del detector, se generarían una serie de diminutos destellos luminosos que revelarían la presencia de la materia oscura. Y si bien es cierto quehasta el momento no ha sido posible "capturar" ninguna partícula de materia oscura, la sensibilidad del instrumento es tal que registra, también, cualquier otra interacción que pueda producirse con los átomos de xenón.
«Extraordinariamente rara»
En este caso, la prueba de la descomposición radiactiva del xenón-124 se produjo cuando un protón dentro del núcleo de un átomo de xenón se convirtió en un neutrón. En la mayoría de los núcleos sujetos a descomposición, en efecto, eso sucede cuando un electrón se introduce en el núcleo. Pero para convertirse en un neutrón, un protón en un átomo de xenón debe absorber no uno, sino dos electrones, un tipo de evento que los físicos llaman "doble captura de electrón".
Resulta, además, que la doble captura de electrón solo sucede cuando dos de los electrones de ese átomo están justo al lado del núcleo y en el momento apropiado. En palabras de Brown, se trata de "una cosa rara multiplicada por otra cosa rara, por lo que es extraordinariamente rara".
Pero sucedió. Y cuando se produjo una doble captura de electrón en el interior del detector, los instrumentos recogieron la señal de los demás electrones del átomo mientras se reacomodaban para "rellenar el hueco" de los dos que habían sido absorbidos por el núcleo.
"Los dos electrones capturados -explica Brown- dejan de estar presentes en la capa más interna alrededor del núcleo, y eso crea un espacio vacío en esa capa. Los electrones restantes, entonces, colapsan hasta su estado fundamental, y fuimos capaces de observar ese colapso en nuestro detector".
El sitio y el momento justos
Se trata de la primera vez que los científicos consiguen medir la vida media de este isótopo del xenón basándose en una observación directa de su desintegración radiactiva. ¿Suerte? Es posible, pero para que la suerte funcione, hay que estar muy bien preparados, en el sitio justo y en el momento oportuno.
Estamos, en definitiva, ante un descubrimiento fascinante, uno que hace avanzar las fronteras del conocimiento sobre las características más fundamentales de la materia de la que todo, y todos, estamos hechos.
En la colaboración XENON participan más de 160 investigadores de Europa, Estados Unidos y Oriente Medio. Y desde 2002, esos científicos han trabajado ya con tres detectores diferentes de xenón líquido, cada vez más potentes y sensibles, en el Laboratorio Nacional Gran Sasso.