在意大利中部一座山的深处，科学家们正在为暗物质设置陷阱。诱饵吗？一个装满3.5吨(3200公斤)纯液态氙的大金属罐。这种稀有气体是地球上最清洁、最防辐射的物质之一，是捕捉宇宙中一些最稀有粒子相互作用的理想目标。德国明斯特大学(University of Munster)博士研究生克里斯蒂安维特威格(Christian Wittweg)说：这一切听起来都有点邪恶，每天上班感觉就像“拜访邦德电影中的反派人物”。到目前为止，居住在山区的研究人员还没有捕捉到任何暗物质。
但现他们成功地探测到了宇宙中最罕见的粒子相互作用之一。根据2019年4月24日发表在《自然》上的一项新研究，由100多名研究人员组成的研究小组首次测量了氙-124原子通过一种极其罕见的过程（双中微子双电子俘获）衰变为碲-124原子的过程。当一个原子的原子核同时从外电子层吸收两个电子时，就会发生这种放射性衰变，从而释放出两倍剂量，被称为中微子的幽灵粒子。通过首次在实验室中测量这种独特的衰变，研究人员能够精确地证明氙-124反应有多罕见，以及衰变需要多长时间。
研究成员们准备了暗物质探测器，里面装满了约3.5吨(3200公斤)液态氙。尽管该小组尚未发现暗物质的踪迹，但他们确实探测到了宇宙中第二长的放射性衰变。图片：Xenon Collaboration
氙-124的半衰期（也就是说，一组氙-124原子减少一半所需的平均时间）约为18万亿年(1.8 x 10^22年)。换句话说，如果6500万年前恐龙灭绝时，有100个氙-124原子，从统计学上讲，所有这100个原子今天都还在那里。这是在实验室中直接测量到的最长半衰期。宇宙中只有一个核衰变过程的半衰期更长：碲-128的衰变，它的半衰期是氙-124的100多倍。但这一极为罕见的事件只是在纸上计算出来。
珍贵的衰变
与更常见的放射性衰变形式一样，当原子核中质子和中子的比例发生变化，原子失去能量时，就会发生双中微子双电子俘获。然而，这一过程比更常见的衰变模式要挑剔得多，而且取决于一系列“巨大的巧合”。大量氙原子的存在使得这些巧合发生的可能性大大增加。氙-124原子都被54个电子包围着，在围绕原子核的朦胧外壳中旋转。双中微子双电子捕获发生在靠近原子核的壳层中，其中两个电子同时进入原子核，分别撞击一个质子，并将这些质子转化为中子。
作为这种转换的副产品，原子核会喷出两个中微子，这是一种难以捉摸的亚原子粒子，不带电荷，几乎没有质量，几乎从不与任何东西发生作用。这些中微子飞向太空，科学家们无法测量它们，除非使用极其敏感的设备。为了证明双中微子双电子捕获事件已经发生，氙研究人员转而研究了衰变原子中留下的空白。电子被原子核俘获后，原子壳层还剩下两个空位。这些空缺是由更高的壳层填补，这就产生了电子和x射线的级联。
这些x射线在探测器中储存能量，研究人员可以从实验数据中清楚地看到。经过一年的观察，研究小组发现了近100个氙-124原子以这种方式衰变的例子，为这一过程提供了第一个直接证据。这个对宇宙中第二稀有衰变过程的新发现，并没有让氙团队离发现暗物质更近一步，但它确实证明了探测器的通用性。研究小组的下一步实验包括建造一个更大的氙气罐——这个能容纳8.8吨(8000公斤)以上的液体——以提供更多的机会来探测罕见的相互作用。
