Zulk sloom atoomverval was nog nooit gezien

Kernfysica In Italië zochten fysici (vooralsnog vergeefs) naar donkere materie. Ze zagen wel xenon-124 vervallen. Heel... heel... langzaam.

Het Xenon1T-experiment met in het midden het vat met xenon waarin het verval gemeten is. Bij metingen is deze ruimte gevuld met water om ruis tegen te houden.
Het Xenon1T-experiment met in het midden het vat met xenon waarin het verval gemeten is. Bij metingen is deze ruimte gevuld met water om ruis tegen te houden. Foto XENON collaboration

Het traagste radioactieve verval ooit is gemeten in een experiment diep onder de grond in Gran Sasso in Italië. De halfwaardetijd van de atoomsoort xenon-124 is een biljoen keer langer dan het universum oud is. Dit extreem zeldzame verval is gemeten met het Xenon1T-experiment, dat eigenlijk naar de nog onbekende donkere materie zoekt.

Uit de metingen blijkt dat de halfwaardetijd van xenon-124 18 triljard jaar is. Dat betekent niet dat je zo lang moet wachten voordat een enkel atoom vervalt; de halfwaardetijd vertelt je hoe lang het duurt voordat de helft van een hoeveelheid van een atoomsoort vervallen is. Als je een heleboel atomen hebt, zullen er binnen afzienbare tijd een aantal van vervallen. En het Xenon1T experiment heeft behoorlijk wat xenonatomen tot zijn beschikking: de detector bestaat uit een tank gevuld met 3,2 ton vloeibaar xenon. Xenon is een edelgas dat vooral bekend is van xenonlampen.

De tank bevat naast xenon-124 ook andere xenonisotopen. Isotopen zijn atomen die wel tot hetzelfde element behoren, omdat ze evenveel protonen in hun kern hebben zitten, bij xenon zijn dat er 54, maar waarvan het aantal neutronen in de kern verschilt. Xenon-136 en xenon-124 heten bijvoorbeeld allebei xenon, maar de eerste heeft 82 neutronen en de tweede 70.

Kerndeeltjes

Een xenon-124-atoom bestaat dus uit 54 protonen en 70 neutronen. Om die kern draaien elektronen. Xenon-124 vervalt volgens het zogeheten double electron capture. „Daarbij slokken twee protonen uit de kern tegelijk twee nabijgelegen elektronen op”, vertelt hoogleraar Auke Pieter Colijn van het Nederlandse onderzoeksinstituut Nikhef en betrokken bij het Xenon1T-experiment. Daardoor veranderen de protonen in neutronen. Het atoom heeft nu 52 protonen en 72 neutronen. Dat betekent dat het een nieuw element is, genaamd tellurium.

Bij dit proces komen ook twee superlichte, ongeladen neutrino’s vrij. Verder is de elektronenwolk rondom het atoom veranderd: de twee elektronen die zich het dichtst bij de kern bevonden zijn namelijk verdwenen. „Het is alsof je een blokkentoren hebt waar je de onderste twee blokken onderuit gehaald hebt”, zegt Colijn. „De bovenste blokken zakken dan een stuk naar benden.” Dat betekent in het atoom dat elektronen die verder bij de kern vandaan waren naar de kern toe vallen. Daarbij zenden ze een beetje straling uit.

Dit type radioactief verval is heel zeldzaam en ook daarom is het interessant

Toevallig is het Xenon1T-experiment erop gebouwd om dit soort straling te meten. De boven- en onderkant van het vat xenon zijn bedekt met sensoren die het kleinste beetje straling kunnen detecteren. „Normaal gesproken zoeken we daarmee naar lichtflitsjes die kunnen ontstaan als een donkermateriedeeltje op een xenonatoom botst”, zegt Colijn. Donkere materie hebben de onderzoekers nog niet gevonden. Maar de sensoren blijken ook geschikt om de straling te meten die vrijkomt bij het verval van xenon-124 naar tellurium-124.

„We keken naar 1,5 ton van de 3,2 ton xenon die we beschikbaar hebben”, vertelt hoogleraar Patrick Decowski van het Nikhef. „Daarvan is ongeveer eenduizendste xenon-124.” In een half jaar meettijd zagen ze in die 1,5 ton ruim honderd xenon-124-atomen vervallen. Zo berekenden ze dat in 18 triljard jaar – dat is dus 18.000.000.000.000.000.000.000 jaar – de helft van de xenon-124-atomen zal vervallen naar tellurium-124-atomen. Nog nooit eerder is een verval met zo’n lange halfwaardetijd direct gemeten.

Lange halfwaardetijden

Radioactief verval waarbij twee elektronen tegelijk opgenomen worden door de atoomkern is zeldzaam. De isotopen waarbij dit gebeurt, hebben lange halfwaardetijden. „Dit specifieke verval is pas bij twee andere isotopen gezien”, vertelt Decowski. Dat was bij krypton-78 en barium-130. Die metingen waren indirect en veel minder nauwkeurig.

Vóór deze meting was de halfwaardetijd van xenon-124 onzeker. „Onze kernmodellen zijn nog niet goed genoeg om halfwaardetijden goed te voorspellen”, zegt Decowski. „Dankzij de metingen is de halfwaardetijd van xenon-124 nu nauwkeuriger vastgesteld. Daarnaast kunnen metingen gebruikt worden om de kernmodellen en dus de voorspellingen van halfwaardetijden te verbeteren.”

Het Xenon1T-vat is inmiddels uit elkaar gehaald en het experiment krijgt een upgrade. „In de opvolger komt ruim acht ton vloeibaar xenon te zitten”, vertelt Colijn. „Daarmee gaan we door met de zoektocht naar donkere materie. Ook zullen we naar het verval van xenon-124 blijven kijken om de halfwaardetijd nog nauwkeuriger te bepalen.”