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Wissen 18 Trilliarden Jahre Halbwertzeit: Forscher messen seltensten jemals beobachteten Prozess
Mehr Welt Wissen 18 Trilliarden Jahre Halbwertzeit: Forscher messen seltensten jemals beobachteten Prozess
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11:21 29.04.2019
Ein Ausschnitt des imposanten Experiments: Zu sehen ist ein zylinderförmiger Kryostat, der an einer Stahlkonstruktion inmitten eines riesigen Wassertanks hängt. Quelle: Xenon Collaboration
Münster

In einem abgeschirmten Detektor tief unter dem italienischen Gran-Sasso-Massiv haben Forscher nach eigenen Angaben den seltensten physikalischen Prozess beobachtet, der jemals gemessen worden ist: den radioaktiven Zerfall des Edelgases Xenon-124. Das radioaktive Isotop hat demnach eine Halbwertszeit von 18 Trilliarden Jahren. Das ist eine 18 mit 21 Nullen und mehr als eine Billion Mal länger als das Alter des Universums. Die Wissenschaftler der Xenon-Kooperation stellen ihre Messungen im Fachblatt „Nature“ vor.

Der Detektor Xenon1T ist eigentlich auf der Suche nach der geheimnisvollen Dunklen Materie – einem unbekannten Stoff, dessen Schwerkraftwirkung sich zwar beobachten lässt, der aber nicht mit Licht wechselwirkt und daher unsichtbar ist. Aus indirekten Studien wissen Physiker, dass die Dunkle Materie im Universum mehr als fünfmal so häufig sein muss wie die uns vertraute Materie. Es ist aber unbekannt, woraus sie besteht.

Dunkle Materie gesucht, Xenon-Zerfall entdeckt

Mit dem Xenon1T-Detektor hoffen die Forscher, Teilchen der Dunklen Materie direkt nachweisen zu können. Sie haben dazu 1400 Meter unter dem Gran-Sasso-Gebirge in Mittelitalien einen Tank mit 1,3 Tonnen hochreinem flüssigen Xenon installiert, das bei minus 95 Grad Celsius von äußeren Einflüssen möglichst weitgehend abgeschirmt wird. Darin spähen sie nach Lichtblitzen, die von einer möglichen Wechselwirkung Dunkler Materie mit dem Xenon stammen könnten. Der Detektor weist aber auch andere Prozesse nach, beispielsweise den Zerfall radioaktiver Xenon-Isotope. Isotope sind Varianten eines chemischen Elements, die sich in ihrer Masse unterscheiden, weil sie in ihrem Atomkern eine unterschiedliche Zahl Neutronen besitzen.

Xenon hat mehrere radioaktive Isotope, von denen die meisten nach Stunden oder Tagen zerfallen. Das Isotop Xenon-124 jedoch zerfällt in einem äußerst seltenen Prozess: Es müssen zwei Protonen im Atomkern gleichzeitig zwei Elektronen aus der Atomhülle einfangen. Dazu müssen beide Elektronen zufällig zur selben Zeit in der richtigen Position sein. Das ist so unwahrscheinlich, dass von einer größeren Menge Xenon-124 erst nach 18 000 000 000 000 000 000 000 Jahren (18 Trilliarden Jahren) die Hälfte zerfallen ist. Zum Vergleich: Das Universum ist erst knapp 14 000 000 000 Jahre (14 Milliarden Jahre) alt.

Die Physiker Daniel Coderre von der Universität Freiburg (l.) und Christopher Tunnell von der Rice University am Xenon1T-Experiment unter dem italienischen Gran-Sasso-Massiv. Quelle: Christopher Tunnell/Rice University/XENON Collaboration

„Wir haben diesen Zerfall tatsächlich gesehen“, berichtet Ko-Autor Ethan Brown vom Rensselaer Polytechnic Institute in den USA in einer Mitteilung. „Es ist der längste, langsamste Prozess, der jemals beobachtet worden ist.“ Die empfindlichen Sensoren im Xenon1T-Experiment registrierten die charakteristischen Lichtblitze, die entstehen, wenn die Plätze der beiden eingefangenen Elektronen in der Atomhülle von anderen Elektronen neu besetzt werden.

Hinweise auf bisher unbekannte physikalische Gesetze?

„Die Tatsache, dass wir geschafft haben, diesen Prozess direkt zu beobachten, zeigt die Leistungsfähigkeit unserer Nachweismethode – auch für Signale, die nicht von Dunkler Materie stammen“, betonte Christian Weinheimer von der Universität Münster, dessen Gruppe die Analyse geleitet hatte.

Aus den Beobachtungen berechneten die Wissenschaftler die Halbwertszeit von Xenon-124. Zwar muss das Isotop Tellur-128 sogar eine noch längere Halbwertszeit besitzen, sein Zerfall ist aber noch nie beobachtet worden. Der Nachweis des Xenon-124-Zerfalls illustriere die Leistungsfähigkeit des Detektors und erlaube damit auch die Fahndung nach fundamental neuen Zerfallsprozessen, die Hinweise auf bislang unbekannte physikalische Gesetze geben könnten, betonen die Forscher.

Von RND/Till Mundzeck, dpa

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