Jauh di dalam gunung di Italia tengah, para ilmuwan meletakkan perangkap untuk materi gelap. Umpan? Tangki logam besar penuh 3,5 ton (3.200 kilogram) xenon cair murni. Gas mulia ini adalah salah satu zat terbersih, paling tahan radiasi di Bumi, menjadikannya target ideal untuk menangkap beberapa interaksi partikel paling langka di alam semesta.
Semuanya terdengar samar-samar menyeramkan; kata Christian Wittweg, seorang kandidat doktoral di Universitas Münster di Jerman, yang telah bekerja dengan apa yang disebut kolaborasi Xenon selama setengah dekade, akan bekerja setiap hari terasa seperti "mengunjungi penjahat Bond." Sejauh ini, para peneliti yang tinggal di gunung belum menangkap materi gelap apa pun. Tetapi mereka baru-baru ini berhasil mendeteksi salah satu interaksi partikel paling langka di alam semesta.
Menurut sebuah studi baru yang diterbitkan hari ini (24 April) di jurnal Nature, tim lebih dari 100 peneliti mengukur, untuk pertama kalinya, peluruhan atom xenon-124 menjadi atom tellurium 124 melalui proses yang sangat langka yang disebut penangkapan dua elektron neutrino ganda. Jenis peluruhan radioaktif ini terjadi ketika inti atom menyerap dua elektron dari kulit elektron terluarnya secara serentak, sehingga melepaskan partikel dobel partikel hantu yang disebut neutrino.
Dengan mengukur peluruhan unik ini di laboratorium untuk pertama kalinya, para peneliti dapat membuktikan dengan tepat seberapa jarang reaksi dan berapa lama xenon-124 rusak. Waktu paruh xenon-124 - yaitu, waktu rata-rata yang diperlukan untuk sekelompok atom xenon-124 berkurang setengahnya - sekitar 18 sextillion tahun (1,8 x 10 ^ 22 tahun), kira-kira 1 triliun kali usia saat ini dari alam semesta.
Ini menandai paruh paruh terpanjang yang pernah diukur secara langsung di laboratorium, Wittweg menambahkan. Hanya satu proses peluruhan nuklir di alam semesta yang memiliki paruh lebih lama: peluruhan telurium-128, yang memiliki paruh lebih dari 100 kali lebih lama dari proses xenon-124. Tetapi peristiwa yang sangat langka ini hanya dihitung di atas kertas.
Kerusakan yang berharga
Seperti halnya bentuk peluruhan radioaktif yang lebih umum, penangkapan dua elektron neutrino ganda terjadi ketika atom kehilangan energi karena rasio proton dan neutron dalam inti atom berubah. Namun, prosesnya lebih memilih daripada mode peluruhan yang lebih umum dan tergantung pada serangkaian "kebetulan raksasa," kata Wittweg. Memiliki ton atom xenon harfiah untuk bekerja dengan membuat kemungkinan kebetulan ini berbaris jauh lebih mungkin.
Begini cara kerjanya: Semua atom xenon-124 dikelilingi oleh 54 elektron, berputar di kulit yang kabur di sekitar nukleus. Penangkapan dua elektron neutrino ganda terjadi ketika dua elektron tersebut, dalam kulit yang dekat dengan inti, secara bersamaan bermigrasi ke dalam inti atom, menabrak satu proton masing-masing dan mengubah proton-proton itu menjadi neutron. Sebagai produk sampingan dari konversi ini, nukleus mengeluarkan dua neutrino, partikel subatom yang sukar ditangkap tanpa muatan dan hampir tanpa massa yang hampir tidak pernah berinteraksi dengan apa pun.
Neutrino itu terbang ke luar angkasa, dan para ilmuwan tidak bisa mengukurnya kecuali mereka menggunakan peralatan yang sangat sensitif. Untuk membuktikan bahwa peristiwa penangkapan dua elektron neutrino ganda telah terjadi, para peneliti Xenon malah melihat ke ruang kosong yang tertinggal dalam atom yang membusuk.
"Setelah elektron ditangkap oleh nukleus, ada dua lowongan yang tersisa di kulit atom," kata Wittweg. "Kekosongan itu terisi dari cangkang yang lebih tinggi, yang menciptakan kaskade elektron dan sinar-X."
Sinar-X itu menyimpan energi dalam detektor, yang dapat dengan jelas dilihat oleh para peneliti dalam data eksperimen mereka. Setelah satu tahun pengamatan, tim mendeteksi hampir 100 contoh atom xenon-124 yang membusuk dengan cara ini, memberikan bukti langsung pertama dari proses tersebut.
Deteksi baru ini dari proses peluruhan paling langka kedua di alam semesta tidak menempatkan tim Xenon lebih dekat untuk menemukan materi gelap, tetapi itu membuktikan fleksibilitas detektor. Langkah selanjutnya dalam percobaan tim melibatkan membangun tangki xenon yang lebih besar - yang mampu menampung lebih dari 8,8 ton (8.000 kg) cairan - untuk memberikan lebih banyak peluang untuk mendeteksi interaksi langka, kata Wittweg.
