與這個物理過程相比，宇宙年齡也不過是一瞬間
距離義大利羅馬約120公里的格蘭薩索山下，深藏著地球上最大的地下實驗室。多年以來，在這個屏蔽了放射性干擾的密閉實驗室中，科學家一直在苦苦搜尋著宇宙中最神秘的假想粒子——WIMPs，這是最被看好的暗物質候選粒子之一。科學家用來捕捉WIMPs的工具是XENON1T探測器，這個探測器的中心部分包含著一個大約1米長的圓柱形罐子，裡面填充著超過3噸的液態氙，這些液態氙被冷卻到了零下95攝氏度。
迄今為止，研究人員還從未在這台探測器中發現任何暗物質粒子的蹤跡。但令人驚喜地是，他們卻第一次成功地探測到了氙-124的衰變。
氙-124是一種同位素，其原子核包含了54個帶正電的質子和70個中性的中子，原子核的周圍是帶負電的電子佔據的電子殼。雖然大多數氙同位素的半衰期都不到12天，但也有少數同位素被認為是非常長壽的，氙-124就是其中之一。
我們都知道，宇宙的年齡約為138億年。如果以人類的標準來衡量，這樣的時間長度是不可思議的。但這次科學家測量得到的氙-124的半衰期卻是宇宙年齡的一萬億倍以上！
需要注意的是，半衰期並不意味著每個原子衰變需要那麼長的時間。這個數字只是表明，就平均而言，一塊放射性物質中的一半發生衰變需要多長的時間。儘管如此，要探測到氙-124這類衰變事件的可能性仍然微乎其微，除非收集到足夠的氙原子，並把它們放在「地球上放射性最弱的地方」，而XENON1T正是這樣一個理想之地。
放射性同位素有兩種常見的衰變方式：α衰變（原子核會射出一個α粒子，即一個氦核）和β衰變（原子核會釋放射一個電子和反中微子，在這個過程中將它的一個中子轉變成一個質子）。此外，還有一種衰變類型被稱為電子俘獲：原子核會捕獲繞其旋轉的內層軌道上的一個電子，使原子核中的一個質子轉變成一個中子，並釋放出一個中微子。
○ 碘-124的原子核會從周圍的電子殼內捕捉一個電子，使其中一個質子轉變成一個中子，並釋放出一個中微子。
通常情況下，一個電子進入原子核，一個中微子出去。中微子有確定的能量，這是由原子核損失的質量決定的。我們經常在核粒子物理學中看到的這個過程，對此也已經有很好地理解。但是在某些情況下，會發生極其罕見的衰變：雙中微子雙電子俘獲（以下簡稱為2νECEC）。
○ 根據能量守恆定律，氙-124無法通過電子俘獲衰變。然而，它可以通過雙中微子雙電子俘獲，以極長的半衰期衰變為一個碲-124原子。
在2νECEC過程中，原子核會從周圍電子殼中捕獲兩個電子，使兩個質子同時轉變為兩個中子，並釋放出兩個中微子。這個過程可以被看作是兩個同時發生的電子俘獲衰變，它們直接將原子核轉化為一個少兩個質子、卻多兩個中子的原子核。由於電子被捕獲，因此電子殼中會留下空穴。其他的電子會重組自己，以填補空穴。在這個過程中釋放的能量會被X射線和所謂的俄歇電子帶走，這為直接觀察到原子核中的2νECEC鋪平了道路。
來自2νECEC過程的X射線會產生初始光信號和自由電子。這些電子會移動到探測器的上部分，併產生第二種信號。根據這兩種信號的方向和時間差，可以重建2νECEC的確切位置，以及衰變過程中釋放的能量。研究人員根據過去兩年中觀測到的126個過程計算出，氙-124原子的半衰期長達1.8×1022年。這是人類迄今探測到的最緩慢的過程。這次的成功為那些旨在探測其他原子核中的罕見衰變的實驗奠定了基礎。
理論學家可以利用新測量的半衰期來檢驗描述原子核內部物理的理論模型，這些模型可以幫助物理學家設計實驗來觀測無中微子雙電子俘獲。這個過程只有在中微子是自己的反粒子時才會發生，而這是現代粒子物理學最成功的理論——標準模型沒有預測的。如果能夠確定中微子的雙重身份，物理學家就有可能揭開宇宙中最大的謎題之一：為什麼宇宙是由物質，而不是反物質構成的？（詳見：《粒子物理學迎來新的里程碑》）此外，探測無中微子雙電子俘獲還將提供有關中微子絕對質量的重要信息。
目前，XENON探測器正在升級中，我們期待未來它將帶來更多的驚喜。
參考來源：
http://www.xenon1t.org
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1124-4
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