Физики напрямую измерили скорость рекордно редкого радиоактивного распада
Физики с помощью детектора XENON1T впервые напрямую измерили период полураспада изотопа ксенона-124 — около 20 секстиллионов лет, рекорд среди исследованных нестабильных изотопов. Это означает, что среднее время жизни отдельно взятого атома ксенона-124 в два триллиона раз больше, чем современный возраст Вселенной. Интересно, что это лишь третий известный изотоп, для которого зафиксирован распад путем двойного электронного захвата. Об этом сообщает коллаборация XENON в новой публикации в журнал Nature, краткий пересказ статьи доступен на сайте научной группы.
Период полураспада — ключевой параметр, который позволяет понять, насколько активен тот или иной изотоп. Например, радон, природный источник радиационного фона, чрезвычайно активен — период полураспада его наиболее стабильного изотопа меньше четырех дней. Калий-40, входящий в состав нашего организма, обладает периодом полураспада в 1,3 миллиарда лет, а наиболее стабильный изотоп висмута, который долгое время считался самым тяжелым стабильным элементом, имеет период полураспада 4,6×1019лет, в три миллиарда раз больше возраста Вселенной. Чем меньше период полураспада, тем чаще будут происходить распады в образце, содержащем одинаковое количество ядер изотопов. Скажем, в образце из миллиона атомов за время полураспада произойдет распад примерно половины атомов. Чтобы оценить среднее время жизни одного изолированного атома период полураспада надо помножить примерно на 1,45 (обратный натуральный логарифм двух).
Не менее важной характеристикой является механизм радиоактивного распада. Выделяют альфа-, бета-распады, гамма-переходы, спонтанное деление и испускание протона или кластеров нуклонов. Бета-распады происходят с участием электронов или позитронов. Например, в одном из них нейтрон ядра распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. При этом заряд ядра увеличивается на единицу. В позитронном бета-распаде слабое взаимодействие превращает протон в ядре в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино. Также к этой группе распадов относят электронный захват — протон ядра захватывает один из электронов, находящихся на ближайшей к ядру оболочке, и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино. Это один из двух основных путей распада калия-40.
Атомное ядро устроено довольно сложно и оказывается, что для некоторых ядер обыкновенные распады оказываются запрещены. Так, например, электронный захват характерен для протонноизбыточных ядер, и если иод-124 легко превращается в теллур-124, то еще более протонноизбыточный ксенон-124 в иод-124 не превращается, этот распад запрещен законом сохранения энергии (иод-124 немного тяжелее ксенона-124, разница меньше 0,0003 процента). Но для таких ядер существует возможность совершить двойной распад — ядро ксенона может одновременно захватить два электрона с внутренней оболочки атома, превратить сразу два протона в нейтроны (став теллуром) и испустить сразу два электронных нейтрино. Вероятность этого процесса чрезвычайно мала, поэтому и время жизни такого ядра оказывается огромным. Чтобы получить шанс зафиксировать подобные двойные распады нужно увеличить вероятность распада в образце, увеличив в нем количество атомов.
Детектор эксперимента XENON1T, предназначенный для поисков слабовзаимодействующих массивных частиц темной материи, как нельзя лучше подходит для поисков распадов ядер ксенона. Он состоит из 3,5 тонн очищенного жидкого ксенона поддерживаемого при температуре -95 градусов Цельсия. Примерно 1,3 тонны находятся в рабочей области детектора. На тонну смеси изотопов в детекторе приходится примерно килограмм ксенона-124. В установке располагаются чувствительные фотодетекторы, реагирующие на слабые вспышки света, которые могут происходить как из-за радиоактивных распадов, так и из-за взаимодействий с темной материей. Кроме того, еще один ряд детекторов фиксирует заряженные частицы, рождающиеся в результате взаимодействий. Чтобы изолировать приборы от космических частиц, установка расположена на глубине 1,5 километра под горным массивом Гран-Сассо в Италии.
Физики копили данные о распадах в детекторе более 200 суток. Сигналы, соответствующие двойному электронному захвату в ксеноне-124, ученые определяли по суммарной энергии, выделявшейся во вспышках при распаде. Их источник — рентгеновское излучение и оже-электроны, вылетавшие из атома после распада и взаимодействовавшие с окружающими атомами ксенона. Всего, после тщательного анализа фоновых шумов, удалось накопить 126 ± 29 таких событий, то есть статистическая значимость наблюдения равна 4,4 сигма. Учитывая общее количество атомов ксенона в установке, это означает, что период полураспада ксенона-124 равен 1,8×1022лет, что является рекордом среди измеренных напрямую периодов полураспада.
Уловить в таком эксперименте электронные нейтрино, вылетавшие при распаде, очень сложно из-за того, что эти частицы очень слабо взаимодействуют с веществом. Тем не менее, рождение пары нейтрино одного типа в этом процессе — хорошая возможность чтобы протестировать гипотезу о майорановской природе нейтрино. Эта гипотеза говорит о том, что нейтрино — античастицы самим себе, а значит нейтрино одного и того же вида могут аннигилировать сами с собой. Пока эта гипотеза проверялась только на «обычном» двойном бета-распаде, физики пытаются увидеть нехватку нейтрино, рождающихся в этом процессе. Ученые рассчитывают, что обновленная 8-тонная версия детектора — XENONnT, которая сейчас находится в стадии установки, сможет присоединиться к поискам безнейтринных двойных бета-распадов.
Интересно заметить, что ксенон-124 — не единственный изотоп, для которого подтвержден механизм распада через двойной электронный захват. Физики Бакcанской нейтринной обсерватории описали в 2013 году двойной электронный захват у криптона-78 с временем полураспада порядка 1,9×1022 лет. Однако статистическая погрешность результата российских ученых примерно в два раза хуже, чем у XENON1T. Также на основе геохимических данных возможность двойного электронного захвата была показана для изотопа бария-130.
Еще большим временем полураспада, 7,7×1024 лет, обладает другой изотоп, распадающийся через двойной бета-распад — теллур-128. Однако эта граница установлена косвенно, геохимическими методами.
Владимир Королев
Пока эти результаты вызывают сомнения
Физики из Южной Кореи обнаружили у апатита свинца, в котором часть атомов свинца замещена медью, сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Ученые утверждают, что полученный методом твердотельного синтеза материал — первый сверхпроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении. Температура перехода разрушения сверхпроводящего состояния достигает в нем 127 градусов Цельсия, пишут исследователи в препринтах (1, 2) на arXiv.org. Впрочем, некоторые физики уже выразили сомнения в обоснованности опубликованных результатов. Сверхпроводимость — эффект, при котором у некоторых материалов электрическое сопротивление становится нулевым, — обычно наблюдается при экстремально низких температурах. Лишь в конце XX века удалось получить материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью. Первым материалом с критической температурой (Тс) выше точки кипения азота (-195,8 градуса Цельсия) был оксид итрия-бария-меди. Только в 2010-х годах были открыты новые типы сверхпроводников, способных сохранять свои свойства при температурах, более близких к комнатной. При сверхвысоких давлениях (более миллиона атмосфер) сверхпроводящие свойства возникают и у гидридов многих элементов, например, у сероводорода. Недавно физики подтвердили наличие сверхпроводимости гидрида лантана LaH10 при −23 градусах Цельсия. Уже в этом году американские ученые получили сверхпроводимость гидрида лютеция, легированного азотом, при комнатной температуре и умеренно экстремальном давлении. Впрочем, другие группы воспроизвести их результаты пока не смогли. Группа корейских физиков под руководством Ли Сукбэ (Sukbae Lee) из Центра исследований квантовой энергии обнаружила, что в материале на основе апатита свинца Pb10-xCux(PO4)6O (доля x составляет от 0,9 до 1,1) сверхпроводящие свойства наблюдаются при комнатной температуре и атмосферном давлении, то есть без необходимости сжимать образец до сотен миллионов атмосфер. Материал LK-99 получен с помощью твердотельного синтеза в герметичной трубке, вакуумированной до 1,3 × 10-6 атмосфер. Анализ полученного порошка LK-99 при помощи рентгеновской дифракции показал, что величина постоянной его кристаллической решетки на 0,48 процентов меньше, чем у апатита свинца. Ученые связали это изменение с частичным замещением атомов свинца на более компактные по размеру атомы меди. Авторы исследования полагают, что это привело к возникновению внутренних механических напряжений в кристалле, которые в конечном итоге и стали причиной сверхпроводимости. Наличие сверхпроводимости в материале ученые подтвердили, наблюдая левитацию образца в магнитном поле за счет эффекта Мейснера, а также исследуя зависимость удельного сопротивления вещества от температуры. Физики определили, что критическая температура (Тс), при которой образец LK-99 терял сверхпроводящие свойства, составляет от 104 до 127 градусов Цельсия. Ниже этой температуры ученые выделили несколько характерных участков. В диапазоне до примерно 60 градусов Цельсия удельное сопротивление практически равнялось нулю с незначительными шумовыми сигналами. При более высоких температурах наблюдался плавный рост удельного сопротивления. Авторы интерпретировали этот рост как локальные нарушения сверхпроводимости в отдельных областях поликристаллического образца. Если результаты корейских физиков подтвердятся, LK-99 может стать первым веществом со сверхпроводимостью при комнатной температуре и атмосферном давлении. Впрочем, исследования сверхпроводимости при комнатной температуре часто вызывают вопросы у научного сообщества, даже если добираются до публикации в рецензируемых журналах. Например, после проверок в 2022 году из Nature отозвали статью американских исследователей, которые нашли сверхпроводимость при 17 градусах Цельсия в смеси сероводорода, метана и водорода. Технические вопросы, из-за которых отозвали статью о сверхпроводимости углеродистого сероводорода, возникли и к этой работе. Так, сомнения в обоснованности выводов корейских ученых высказал профессор химического факультета МГУ Евгений Антипов, который вместе с Сергеем Путилиным открыл в 1993 году новое семейство ртутьсодержащих сверхпроводящих купратов. Один из них — HgBa2Ca2Cu3O8+x — на настоящий момент имеет рекордную подтвержденную на данный момент критическую температуру, −138 градусов Цельсия. В разговоре с N + 1 химик прокомментировал открытие коллег: «Я не думаю, что эта статья выйдет в каком-либо серьезном журнале, потому что она не отвечает принятым стандартам. У меня вызывает большие сомнения возможность реализации сверхпроводимости в соединении с такой формулой. Это оксофосфат двухвалентного свинца, а двухвалентный свинец отличается тем, что у него свободные электроны локализованы, они не могут переходить в зону проводимости — а значит они будут локализованы на катионах свинца». Вопросы у Антипова вызвала и возможность замещения двухвалентного свинца на двухвалентную медь в том синтезе, который проводили корейские ученые: «Представленные данные не убеждают в возможности такого замещения, так как в образце присутствует примесь сульфида меди Cu2S. С точки зрения кристаллохимии это выглядит не очень обоснованно, а с точки зрения эксперимента — они получили образец с примесями, при этом примеси там много. Поэтому говорить, что медь находится в позиции свинца, когда она присутствует в виде примесей — не обосновано». Физики продолжают изучать различные вещества и способы достичь высокотемпературной сверхпроводимости. Например, ранее мы писали, как сверхпроводимость ищут даже в радиоактивных веществах. О том как механическое напряжение помогает получить состояние сверхпроводимости в графене читайте в нашем материале «Тонко закручено».