"האירוע הנדיר ביותר אי פעם" התרחש עם זמן מחצית חיים ארוך פי טריליון מגיל היקום - אז איך בכלל ראינו אותו?

בשנת 2019, חוקרים משיתןף הפעולה המדעי XENON הבחינו במשהו בלתי צפוי. הניסוי שמפעיל את מערכת XENON1T - מיכל במשקל 1,300 ק"ג מלא בנוזל קסנון אולטרה טהור. כדי לבודד את המערכת מהפרעות קוסמיות, המתקן קבור 1,500 מטרים מתחת לפני הקרקע, בהרי גראן סאסו שבאיטליה. המערכת תוכננה במקור לחיפוש אחר חומר אפל, החומר ההיפותטי שמהווה כפי חמישה יותר מהחומר הרגיל ביקום. אולם עקב רגישותה הגבוהה, היא מסוגלת לזהות גם תופעות נדירות המתרחשות בתוך גרעיני האטומים עצמם.

הפוטומכפלים (Photomultipliers) בגלאי Xenon1T, אשר משמשים לזיהוי חומר אפל, ובמקרה זה - גם להתפרקות רדיואקטיבית נדירה / Xenon1T

המתקן זיהה תופעה מוזרה המתרחשת באטומי הקסנון שבתוכו. אחד האטומים התפרק רדיואקטיבית. זה היה מפתיע במיוחד, כיוון שזמן מחצית החיים של אותו איזוטופ של קסנון הוא כ־18 ביליון טריליון שנים. זהו פרק זמן שארוך פי יותר מטריליון מגיל היקום הנוכחי. "ראינו בפועל את ההתפרקות הזו מתרחשת. זהו התהליך הארוך והאיטי ביותר שנצפה אי פעם בצורה ישירה, והגלאי שלנו היה רגיש מספיק כדי למדוד אותו", אמר איתן בראון (Ethan Brown), פיזיקאי מאוניברסיטת רנסלאר ואחד ממחברי המחקר. "זה מדהים להיות עדים לתהליך כזה - זה מראה שהמערכת שלנו מסוגלת למדוד את הדבר הנדיר ביותר שתועד אי פעם".

האירוע שזוהה היה תהליך נדיר במיוחד הקרוי לכידת כפולה של אלקטרונים (Double-Electron Capture) - כאשר פרוטון בגרעין האטום של קסנון קולט שני אלקטרונים והופך לנייטרון. זהו תהליך הדורש שתי התרחשויות נדירות שיתרחשו בו־זמנית: ששני האלקטרונים יהיו סמוכים לגרעין בדיוק באותו רגע. "זה מקרה של תופעה נדירה שמוכפלת בעוד תופעה נדירה - ויחד הן יוצרות תופעה על־נדירה", הסביר בראון.

בעת קליטת האלקטרונים, האלקטרונים הנותרים בארגון הפנימי של האטום שינו את מיקומם. "האלקטרונים בלכידה הכפולה מוסרים מהקליפה הפנימית ביותר סביב הגרעין, וזה יוצר 'חלל' באותה קליפה", אמר בראון. "שאר האלקטרונים קורסים חזרה למצב הבסיס - וראינו את תהליך הקריסה הזה מתרחש בתוך הגלאי שלנו".

האירוע הזה הוגדר כאירוע הנדיר ביותר שנצפה אי פעם - ולא מדובר בהגזמה. עם זאת, חשוב להבין את המשמעות וההקשר של "מחצית חיים" כה ארוכה, וכיצד, למרות נדירותם של אירועים כאלה, אנו מסוגלים בכל זאת לצפות בהם. המונח "מחצית חיים" מתייחס לזמן שלוקח למחצית מהכמות ההתחלתית של איזוטופ מסוים להתפרק לצורה אחרת.

כשאנחנו חושבים על דעיכה רדיואקטיבית, לרוב עולה בדמיוננו תהליך מהיר. יש לכך סיבה טובה: בעידן הגרעיני, כל השיח סביב מחצית חיים התמקד באלמנטים בלתי יציבים שמתפרקים תוך שניות ויכולים להפעיל תגובות שרשרת נפיצות. גם ברפואה נעשה שימוש באלמנטים רדיואקטיביים שמתפרקים תוך שעות או ימים - אבל גם אז, מחצית החיים שלהם עשויה להיות ארוכה בהרבה.

מתקן Xenon1T

קחו למשל את האורניום. הצורה הנפוצה ביותר שלו (U-238) מתאפיינת בזמן מחצית חיים של כמעט 4.5 מיליארד שנים. המשמעות היא שכשכדור הארץ נוצר, היה בו כפול אורניום ממה שיש כיום. ובכל זאת, לא הייתם רוצים לשהות ליד אורניום יותר מדי זמן - האטומים שלו מתפרקים כל הזמן, גם אם לאט. האורניום אינו מסוכן מאד בטבע, אך השימושים שאנחנו עושים בו הם שעלולים להוות סכנה ממשית.

ועדיין, זמן מחצית החיים של קסנון-124 ארוך פי כ-4 טריליון מזה של אורניום-238. אז איך בכלל ניתן למדוד את זה? הגלאי של XENON מכיל שני טון מטרי של קסנון - שהם כמעט 10,000 טריליון טריליון אטומים. כשיש לך כמות כזו אדירה של אטומים, תיאורטית אתה צפוי לראות אטום אחד מתפרק מדי כמה דקות.

"צפוי" היא מילת המפתח כאן. כי להסתכל על אטומים זה לא כמו להביט בערימה של גולות אדומות ולחכות שאחת תכחיל. זה יותר כמו לבהות במספר בלתי נתפס של גולות, כאשר אחת מהן עלולה לשנות את המסה שלה טיפה ולפלוט הבזק של קרני X או להיפטר מאלקטרון. במשך 177 ימי איסוף נתונים, הצוות תיעד כ-9 אירועים בלבד.

הבעיה העיקרית עם תופעות נדירות כל כך, בעלות זמן מחצית חיים עצום, היא עצם היכולת "לתפוס אותן על חם". ואם לא תופסים את האירוע, קשה לדעת שהוא בכלל מתרחש.

קחו לדוגמה את הפרוטון - החלקיק הזעיר והחיובי שבלב כל אטום. יש תיאוריות בפיזיקה שמנבאות שפרוטונים עשויים להתפרק בסופו של דבר. אך עד כה, בכל הניסויים שלנו - לא ראינו אף פרוטון מתפרק. המשמעות היא שאם אכן קיימת תופעה כזו, זמן מחצית החיים שלה חייב להיות עצום: על פי ההערכות, לפחות 1.67 ביליון טריליון טריליון שנים - מאה מיליארד פעמים יותר מאשר קסנון-124.

זה לא פשוט לחפש תופעות שגורמות לזמן החיים של כוכבים להיראות כמו שניות בלבד.

מקורות:

• קטעים מהמחקר- Observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T מאת Nature שנכתב ע"י: XENON Collaboration.

• קטעים מ- Scientists see the 'rarest event ever recorded' in attempt to solve dark matter mystery מאת Independent שנכתב ע"י: Andrew Griffin.

• קטעים מ- "Rarest Event Ever" Had A Half-Life 1 Trillion Times Longer Than The Age Of The Universe - How Did We See It? מאת IFLScience שנכתב ע"י: Dr. Alfredo Carpineti.

• קטעים מ-Scientists see ‘rarest event ever recorded’ in search for dark matter מאת BigThink שנכתב ע"י: Stephen Johnson.