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Das XENON1T-Experiment im italienischen Gran Sasso-Laboratorium hat den langwierigsten radioaktiven Zerfall gemessen
Xenon-124-Atome lassen sich Zeit
Vom Abfall aus Kernkraftwerken ist allgemein bekannt, dass radioaktive Zerfälle lange Zeit in Anspruch nehmen können. So beträgt bei Plutonium-239 die Halbwertszeit – also die Zeit, bis die Hälfte der Atome einer Probe zerfallen ist – stolze 24'000 Jahre. Das ist aber nichts gegen die Halbwertszeit des Edelgases Xenon-124, wie ein internationales Forscherteam mit Beteiligung der Universität Zürich nun zeigen konnte.
In der Physik laufen die Dinge manchmal sehr schnell ab, ein anderes mal sehr langsam. Sehr schnell geht es zum Beispiel bei der Fortbewegung von Licht: Die elektromagnetischen Wellen legen pro Sekunde 300'000 km zurück und brauchen nur gut eine Sekunde von der Erde bis zum Mond. Andere Vorgänge nehmen mehr Zeit in Anspruch, manchmal sogar viel mehr Zeit. Jetzt sind Physikerinnen und Physiker des XENON-Experiments in Italien auf einen Zerfallsprozess von unvorstellbarer Langsamkeit gestossen: Bis von 100 Atomen des Edelgases Xenon-124 deren 50 zerfallen sind, dauert es sage und schreibe 1,8 x 1022 Jahre. Die Halbwertszeit des instabilen Xenon-Isotops ist damit eine Trillion mal länger als das Alter des Universums. Es handelt sich um den langsamsten Prozess dieser Art, der je in einem Detektor gemessen wurde. Über die Entdeckung haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jüngst im Fachjournal 'Nature' berichtet.
Protonen fangen Elektronen ein
Von einem radioaktiven Zerfall spricht man, wenn sich ein Atomkern unter Abgabe von Energie in einen anderen, stabileren Kern umwandelt. Zerfälle können auf unterschiedliche Art ablaufen. Eine Form ist der sogenannte Elektroneneinfang: Hierbei gehen (positiv geladene) Protonen aus dem Atomkern eine Verbindung mit (negativ geladenen) Elektronen ein und verwandeln sich dabei in Neutronen. Dieser Prozess ist auch bei Xenon-124 zu beobachten, einem Atom, dessen Kern aus 54 Protonen und 70 Neutronen besteht. Zerfällt dieses Atom, fangen zwei Protonen gleichzeitig zwei Elektronen aus den innersten Schalen ein und verbinden sich mit ihnen zu Neutronen, dies unter Aussendung von zwei Neutrinos. Weil jetzt zwei Elektronen fehlen, rücken die Elektronen aus den äusseren Schalen auf die beiden freien Plätze auf den innersten, energiearmen Schalen nach. Dabei wird Energie in Form von Röntgenstrahlung abgestrahlt, und zugleich werden sogenannte Auger-Elektronen frei.
Durch Messung der Röntgenstrahlung und der Auger-Elektronen konnten Physikerinnen und Physiker der XENON-Experiments den Zerfall von Xenon-124-Atomen experimentell beobachten und daraus die unvorstellbar lange Halbwertszeit des Edelgases bestimmen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler stützten sich dabei auf die Daten, die der XENON1T-Detektor während eines Jahres aufgezeichnet hatte. Sie konnten in den Daten genau 126 Zerfälle nachweisen.
Tank mit 3,2 Tonnen flüssigem Xenon
Das XENON-Experiment ist eines von rund einem Dutzend Experimenten, die gegenwärtig im Gran Sasso-Laboratorium 120 km nordöstlich von Rom durchgeführt werden. Das Labor, das zum 'Nationalen Institut für Nuklearphysik' (INFN) gehört, befindet sich im Gran Sasso-Gebirge. Eine 1400 Meter Gesteinsschicht schützt die insgesamt drei Felskavernen mit den Experimenten vor dem störenden Einfluss der kosmischen Strahlung. Der XENON1T-Detektor ist der dritte in der Familie des XENON-Projektes, nach XENON10 und XENON100. An dem Detektor sind 160 Physikerinnen und Physiker aus Europa, den USA und dem Nahen Osten beteiligt. Mit dazu gehört die Forschungsgruppe von Laura Baudis, Professorin für Teilchenphysik an der Universität Zürich.
„Der XENON1T-Detektor ist ein zylinderförmiger Tank mit 3,2 t flüssigem, auf -95 °C gekühltem Xenon. Er ist damit die bisher grösste Zeitprojektionskammer dieser Bauweise”, sagt Laura Baudis. Die Schweiz arbeitet an dem Detektor in der ersten Reihe mit, wie Baudis ausführt: „Wir waren verantwortlich für die Tests der neuen, für Vakuumultraviolettstrahlung empfindlichen Photosensoren, die wir in unserem Labor in Zürich mit flüssigem Xenon durchführten. Auch waren wir für Entwicklung und Bau der Ausleseelektronik der Photosensoren zuständig, und wir haben das Eichsystems der Photosensoren aufgebaut und betrieben. Darüber hinaus waren wir führend beteiligt an Design und Aufbau des inneren Detektors (der Zeitprojektionskammer) und führten Kühlungstests durch. Ferner prüften wir viele Detekormaterialien mit unserem Ge-Detektor (Gator) am Gran Sasso-Labor auf ihre Radioaktivität. Dies war für den niedrigen Untergrund – also die geringen Störeinflüsse – des XENON1T-Detektors entscheidend.“
Suche nach Dunkler Materie
Die primäre Zielsetzung des XENON-Experiments im Herzen des Gran Sasso-Gebirges ist der Nachweis von Dunkler Materie, einer Form von Materie, von deren Existenz die meisten Physiker überzeugt sind, deren Nachweis bisher aber nicht gelungen ist. Die Forscherinnen und Forscher aus elf Ländern, die am XENON-Experiment mitwirken, hoffen die Existenz von Dunkle-Materie-Teilchen beim Zusammenstoss mit Xenon-Atomen nachweisen zu können. Theoretische Überlegungen sagen nämlich voraus, dass bei dieser Kollision ein schwacher ultravioletter Lichtstrahl ausgesandt wird, der mit den Sensoren des Detektors erkannt werden kann. Die Sensoren sollen gleichzeitig die geringe elektrische Ladung detektieren, die durch den Kollisionsprozess freigesetzt wird.
Das grosse Ziel – der Nachweis von Dunkler Materie – ist mit dem XENON-Experiment bisher nicht gelungen. Doch konnte jetzt – quasi beiläufig – die Halbwertszeit von Xenon-124 bestimmt werden. Die Universität Zürich war an der Datenanalyse massgeblich beteiligt. „Für mich zeigen diese Messungen die unglaubliche Empfindlichkeit des XENON1T-Detektors, extrem seltene Ereignisse zu registrieren“, sagt Laura Baudis zur Bedeutung der jüngsten Messung. „Nachdem wir den schwachen Wechselwirkungsprozess des doppelten Elektroneneinfangs in Xenon-124 erstmals gemessen haben, können damit zum Beispiel Kernmodelle geprüft werden, die die Halbwertszeiten voraussagen. Diese sind auch für die Vorhersagen des neutrinolosen Xenon-124-Zerfalls wichtig, der laut theoretischen Vorhersagen ebenfalls vorkommt.“
Weitere Upgrades geplant
Um den XENON-Detektor noch empfindlicher zum machen, als er bisher schon ist, wird er im nächsten Schritt zum XENONnT aufgerüstet, der 8,4 statt bislang 3,2 t Xenon enthalten wird. Später wollen die Teilchenphysiker den Detektor unter dem Namen DARWIN sogar auf 50 t Xenon vergrössern. Die Jagd nach Dunkler Materie und dem vertieften Verständnis der Neutrinos hat also erst begonnen.
Autor: Benedikt Vogel
Weitere Informationen zum XENON-Experiment unter: www.xenon1t.org