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El Periodo de Semidesintegración del Xenón-124 es un billón de veces más que la edad del Universo


El Periodo de Semidesintegración es el tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los núcleos de una muestra inicial de un radioisótopo. Utilizando el detector de materia oscura XENON1T, un tanque de 1.300 kg de xenón líquido super puro, protegido de los rayos cósmicos en un criostato sumergido en agua a una profundidad de 1.5 km debajo de las montañas Gran Sasso d'Italia, los físicos de la Colaboración XENON pudieron observar la desintegración de los núcleos atómicos del xenón-124, por primera vez en la historia.

El Periodo de Semidesintegración del xenón-124 es aproximadamente un billón de veces más que la edad del Universo. Esto hace que la desintegración radiactiva observada, la llamada captura de doble electrón del xenón-124, sea el proceso más raro que se haya visto en un detector.

Datos iniciales
No todos los átomos son estables. Dependiendo de su composición, algunos se estabilizarán liberando partículas subatómicas y convirtiéndose en un átomo de un elemento diferente, un proceso denominado desintegración radiactiva.

Estamos mucho más familiarizados con los elementos radiactivos como el uranio y el plutonio: estos son los adolescentes desordenados de los elementos radiactivos, que constantemente lanzan partículas. El radón-222, por ejemplo, tiene un Periodo de Semidesintegración de sólo cuatro días.

Sin embargo, algunos elementos se desintegran muy lentamente. El Xenon-124 es uno de esos elementos "estadistas" más viejos, aunque los físicos han estimado su Periodo de Semidesintegración en 160 billones de años, a medida que se desintegra en telurio-124. Se presume que el Universo solo tiene entre 13 y 14 mil millones de años. El nuevo hallazgo posiciona el Periodo de Semidesintegración del xenón-124 en 18 sextillones de años.

"El Periodo de Semidesintegración no significa que cada átomo se descomponga. El número simplemente indica cuánto tiempo, en promedio, tomará que la mayor parte de un material radiactivo se reduzca a la mitad”, dijo el Dr. Christopher Tunnell, físico de la Universidad Rice y miembro de la Colaboración XENON.

"Aún así, la posibilidad de ver un incidente de este tipo con el xenon-124 es muy pequeña, a menos que uno reúna suficientes átomos de xenón y los coloque en el lugar más puro del radio en la Tierra. Un punto clave aquí es que tenemos muchos átomos, así que si alguno se descompone, lo veremos. Tenemos una tonelada (literal) de material".

"En realidad vimos que esta semidesintegración sucedió. Es el proceso más largo y lento que se haya observado directamente, y nuestro detector de materia oscura fue lo suficientemente sensible como para medir este proceso", dijo el Dr. Ethan Brown, físico del Instituto Politécnico Rensselaer y miembro de la Colaboración XENON.

"Es asombroso haber presenciado este proceso, y nos dice que nuestro detector puede medir hasta lo más raro jamás antes registrado".

Captura de Doble Electrón
La evidencia de la semidesintegración del xenón se produjo como un protón dentro del núcleo de un átomo de xenón, convertido en un neutrón. En la mayoría de los elementos sujetos a la descomposición, eso sucede cuando un electrón se introduce en el núcleo. Pero dos protones en un átomo de xenón deben absorber simultáneamente dos electrones para convertirse en dos neutrones, un evento llamado Captura de Doble Electrón.

"La captura de doble electrón solo ocurre cuando dos de los electrones están justo al lado del núcleo en el momento justo, lo cual es una cosa rara multiplicada por otra cosa rara, convirtiéndolo en algo extremadamente raro", dijo el Dr. Brown.

Cuando sucedió ese fenómeno "extremadamente raro" y se produjo una captura de doble electrón dentro del detector; los instrumentos registraron la señal de los electrones en el átomo que se reacomodaron para completar los dos que fueron absorbidos en el núcleo.

“Los electrones en la doble captura son eliminados de la capa más interna alrededor del núcleo, y eso crea espacio en esa capa. Los electrones restantes colapsan hasta el estado más fundamental, y vimos este proceso de colapso en nuestro detector", dijo el Dr. Brown.

"Los nuevos resultados muestran qué tan bien el detector XENON1T puede detectar procesos extremadamente raros y rechazar señales de interferencia de fondo", dijo la profesora Laura Baudis, física de astropartículas en la Universidad de Zurich y miembro de la Colaboración XENON.

"Si bien se emiten dos neutrinos en el proceso de Captura de Doble Electrón, ahora podemos buscar la llamada Captura de Doble Electrón Sin Neutrinos, que podría arrojar nueva información sobre cuestiones importantes con respecto a la naturaleza de los neutrinos".

Referencia del documento científico:
E. Aprile et al (Colaboración XENON). 2019. Observación de la captura de doble electrón de dos neutrinos en 124 Xe con XENON1T. Nature 568: 532-535; doi: 10.1038 / s41586-019-1124-4

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