与这个物理过程相比，宇宙年龄也不过是一瞬间

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​距离意大利罗马约120公里的格兰萨索山下，深藏着地球上最大的地下实验室。多年以来，在这个屏蔽了放射性干扰的密闭实验室中，科学家一直在苦苦搜寻着宇宙中最神秘的假想粒子——WIMPs，这是最被看好的暗物质候选粒子之一。科学家用来捕捉WIMPs的工具是XENON1T探测器，这个探测器的中心部分包含着一个大约1米长的圆柱形罐子，里面填充着超过3吨的液态氙，这些液态氙被冷却到了零下95摄氏度。


3 a" v1 D% x* T9 L! z迄今为止，研究人员还从未在这台探测器中发现任何暗物质粒子的踪迹。但令人惊喜地是，他们却第一次成功地探测到了氙-124的衰变。

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氙-124是一种同位素，其原子核包含了54个带正电的质子和70个中性的中子，原子核的周围是带负电的电子占据的电子壳。虽然大多数氙同位素的半衰期都不到12天，但也有少数同位素被认为是非常长寿的，氙-124就是其中之一。
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& P2 N& x: J2 A( ]* k* L我们都知道，宇宙的年龄约为138亿年。如果以人类的标准来衡量，这样的时间长度是不可思议的。但这次科学家测量得到的氙-124的半衰期却是宇宙年龄的一万亿倍以上！

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需要注意的是，半衰期并不意味着每个原子衰变需要那么长的时间。这个数字只是表明，就平均而言，一块放射性物质中的一半发生衰变需要多长的时间。尽管如此，要探测到氙-124这类衰变事件的可能性仍然微乎其微，除非收集到足够的氙原子，并把它们放在“地球上放射性最弱的地方”，而XENON1T正是这样一个理想之地。

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放射性同位素有两种常见的衰变方式：α衰变（原子核会射出一个α粒子，即一个氦核）和β衰变（原子核会释放射一个电子和反中微子，在这个过程中将它的一个中子转变成一个质子）。此外，还有一种衰变类型被称为电子俘获：原子核会捕获绕其旋转的内层轨道上的一个电子，使原子核中的一个质子转变成一个中子，并释放出一个中微子。

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○ 碘-124的原子核会从周围的电子壳内捕捉一个电子，使其中一个质子转变成一个中子，并释放出一个中微子。

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4 ~) r8 \) X# l8 u7 V3 B通常情况下，一个电子进入原子核，一个中微子出去。中微子有确定的能量，这是由原子核损失的质量决定的。我们经常在核粒子物理学中看到的这个过程，对此也已经有很好地理解。但是在某些情况下，会发生极其罕见的衰变：双中微子双电子俘获（以下简称为2νECEC）。
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○ 根据能量守恒定律，氙-124无法通过电子俘获衰变。然而，它可以通过双中微子双电子俘获，以极长的半衰期衰变为一个碲-124原子。

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在2νECEC过程中，原子核会从周围电子壳中捕获两个电子，使两个质子同时转变为两个中子，并释放出两个中微子。这个过程可以被看作是两个同时发生的电子俘获衰变，它们直接将原子核转化为一个少两个质子、却多两个中子的原子核。由于电子被捕获，因此电子壳中会留下空穴。其他的电子会重组自己，以填补空穴。在这个过程中释放的能量会被X射线和所谓的俄歇电子带走，这为直接观察到原子核中的2νECEC铺平了道路。

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0 \9 n1 Z; P4 k% V7 Y: k' K来自2νECEC过程的X射线会产生初始光信号和自由电子。这些电子会移动到探测器的上部分，并产生第二种信号。根据这两种信号的方向和时间差，可以重建2νECEC的确切位置，以及衰变过程中释放的能量。研究人员根据过去两年中观测到的126个过程计算出，氙-124原子的半衰期长达1.8×10²²年。这是人类迄今探测到的最缓慢的过程。这次的成功为那些旨在探测其他原子核中的罕见衰变的实验奠定了基础。


理论学家可以利用新测量的半衰期来检验描述原子核内部物理的理论模型，这些模型可以帮助物理学家设计实验来观测无中微子双电子俘获。这个过程只有在中微子是自己的反粒子时才会发生，而这是现代粒子物理学最成功的理论——标准模型没有预测的。如果能够确定中微子的双重身份，物理学家就有可能揭开宇宙中最大的谜题之一：为什么宇宙是由物质，而不是反物质构成的？（详见：《粒子物理学迎来新的里程碑》）此外，探测无中微子双电子俘获还将提供有关中微子绝对质量的重要信息。


! k4 t2 P+ Y$ G$ i- C4 B; `目前，XENON探测器正在升级中，我们期待未来它将带来更多的惊喜。
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参考来源：
* \4 [- D2 I* g, \http://www.xenon1t.org
* d0 U/ ~. S# }: T$ m1 }https://www.nature.com/articles/s41586-019-1124-4
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来源：https://www.toutiao.com/a6684183065209602568/
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