最慢的物理过程：衰变时间跨度比宇宙年龄长一万亿倍

研究人员用液态氙对“XENON1T”内部的光电探测器进行了测试。

自从2018年下半年以后，科学家们便开始在意大利格兰·萨索山脉地下1500米深的格兰·萨索国家实验室（Laboratori Nazionali del Gran Sasso，简称LNGS）中寻找暗物质粒子，而这个实验室能够隔绝任何辐射活动的干扰。他们的主要工具是一台名为“XENON1T”的探测器，其中心部分是一个长约一米的圆柱形容器，它在零下95摄氏度的条件下盛满了3200千克的液体氙。

虽然到目前为止，使用该探测器的研究人员还没有观察到任何暗物质粒子，但是，据美国科学促进会（AAAS）运营的全球科技新闻服务网站优睿科（EurekAlert）4月24日消息称，《自然》杂志同日刊发的一篇研究论文透露，瑞士苏黎世大学（University of Zurich，简称UZH）的科学家现已首次成功地观察到“氙-124”原子的衰变过程。该实验所测量到的半衰期——样本中原有的放射性原子中的一半发生衰变后的时间跨度——要比宇宙的年龄长一万亿倍以上，而宇宙的年龄接近140亿年。因此，该过程是人类在探测器内能够直接观测到的、宇宙中最罕见的物理过程。

“XENON1T”实验的领导科学家之一、瑞士苏黎世大学的天体粒子物理学家Laura Baudis教授介绍道：“我们成功直接观察到这一过程的成就，显示了我们的检测方法实际上是多么地强大，对于并非来自暗物质的罕见物理现象，也是如此。”

这一被观察到的过程被称为“双电子俘获”（double electron）。“氙-124”的原子核是由54个带正电荷的质子和70个中性中子所组成，它们被几层带负电荷的电子占据的原子壳所包围着。在双电子俘获过程中，原子核中的两个质子同时从最内层的原子壳中“捕获”两个电子，在将它们转化为两个中子的同时释放出两个中微子。当原子壳中丢失两个电子时，其他的电子就会自我重组，而释放的能量就会被X射线所带走。然而，这是一个非常罕见的过程，它通常会被无处不在的“正常”放射活动的信号所掩盖。

在过去两年中，物理学家从观察到的126次该类过程中，计算出了“氙-124”原子极长的半衰期为1.8 x 10高22年。这是有史以来人类直接测量到的最慢的物理过程。

Baudis教授解释道：“新的研究结果表明‘XENON1T’探测器能够很好地检测到非常罕见的物理过程，并屏蔽背景信号。”当两个中微子在双电子俘获过程中被释放出来时，科学家们现在也可以寻找所谓的“无中微子双电子捕获”过程，而这将可以解释若干关于中微子特性的重要问题。