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Isótopos: La vida del xenón 124 desborda un billón de veces la edad del universo

Isótopos: La vida del xenón 124 desborda un billón de veces la edad del universo
XENON1T, la matería oscura y los isótopos. EP

Una asombrosa observación de la desintegración radioactiva del isótopo xenón-124, ha permitido estimar su vida media en un billón de veces más que la propia edad del universo (13.800 millones de años).

El hallazgo, que se publica este jueves en la revista ‘Nature’, ha sido posible gracias a un instrumento construido específicamente para encontrar la partícula más difícil de alcanzar en el universo: la materia oscura.

Este instrumento es el XENON1T, una cuba de 1.300 kilogramos de xenón líquido superpuro, protegido de los rayos cósmicos, en un criostato sumergido en agua a una profundidad de 1.500 metros bajo las montañas Gran Sasso de Italia.

Los investigadores buscan la materia oscura (que es cinco veces más abundante que la materia común, pero rara vez interactúa con la materia ordinaria) registrando pequeños destellos de luz creados cuando las partículas interactúan con el xenón dentro del detector.

Aunque XENON1T fue construido para capturar la interacción entre una partícula de materia oscura y el núcleo de un átomo de xenón, el detector, en realidad, capta señales de cualquier interacción con el xenón.

La evidencia de la descomposición 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 descomposición, eso sucede cuando un electrón se introduce en el núcleo. Pero un protón en un átomo de xenón debe absorber dos electrones para convertirse en un neutrón, 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, según explica Ethan Brown, profesor asistente de física en Rensselaer, y coautor del estudio, lo que a su juicio se trata de «una cosa rara multiplicada por otra cosa rara», por lo que, en definitiva, es «extremadamente raro».

«Vimos realmente que esta descomposición 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 medirlo», asegura Brown. «Es asombroso haber presenciado este proceso, y dice que nuestro detector puede medir lo más raro jamás registrado», añade.

Cuando sucedió esto y se produjo una ‘captura de doble electrón’ dentro del detector, los instrumentos recogieron la señal de los electrones en el átomo, que se reacomodaron para completar los dos que fueron absorbidos en el núcleo.

«Los electrones en doble captura se eliminan de la capa más interna alrededor del núcleo, y eso crea espacio en esa capa –explica Brown–. Los electrones restantes colapsan hasta el estado fundamental, y vimos este proceso de colapso en nuestro detector».

Así, se trata de la primera vez que los científicos miden la vida media de este isótopo de xenón basándose en una observación directa de su desintegración radioactiva.

«Es un hallazgo fascinante que avanza en las fronteras del conocimiento sobre las características más fundamentales de la materia», comenta por su parte Curt Breneman, decano de la Escuela de Ciencias. Según agrega, el trabajo del doctor Brown para calibrar el detector y garantizar que el xenón se restregara al más alto nivel de pureza fue crítico para realizar esta observación importante.

La colaboración de científicos que trabaja con este instrumento incluye a más de 160 científicos de Europa, Estados Unidos y Medio Oriente y, desde 2002, ha operado tres detectores de xenón líquido cada vez más sensibles en el Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia.

XENON1T, el detector más grande de su tipo jamás construido, adquirió datos desde 2016 hasta diciembre de 2018, cuando se apagó. Los científicos están actualizando el experimento para la nueva fase XENONnT, que contará con una masa de detectores activos tres veces más grande que XENON1T, lo que aumentará la sensibilidad del detector en un orden de magnitud.

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