双中微子双电子俘获，氙-124原子衰变过程和暗物质有何关联？

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作者：文/虞子期

在此之前，科学家们一直没有捕获任何暗物质，但现在不一样了，他们成功的发现了宇宙中最罕见的粒子相互作用之一，即：氙-124原子的衰变过程。虽然这样的发现并没有使团队更接近寻找暗物质，但却证实了探测器的多功能性，后期也可通过岔气罐的不断升级，以提供更多检测罕见相互作用的机会。

发现罕见氙-124原子衰变的过程

一个装满3200公斤纯液体岔的大型金属罐，正处在意大利中部的一座深山，科学家们为暗物质铺设了诱饵。这是地球上最清洁的惰性气体，同时也是最耐辐射的物质之一，这便是为什么，它会成为捕捉宇宙中某些稀有粒子相互作用的理想目标。或许，此时的你会觉得这一切听上去都那么的模糊不清。

这项新的研究，涉及到了100多名研究人员，该团队首次通过了极为罕见的测量过程，双中微子双电子俘获，即氙-124原子衰变成碲124原子的过程。正是在原子核同时从其外部电子壳吸收两个电子的时候，发生了这样特定类型的放射性衰变。并且还在这个过程中，释放出了双倍剂量的被称为中微子的幽灵粒子。

氙-124的半衰期需要多久的时间

在这次实验中，科学家们首次测量出这种独特的衰变，由此准确地证明了氙-124衰变需要多久的时间，以及此反应的罕见程度。氙-124的半衰期，相当于一组氙-124原子减少一半所需要耗费的平均时间：大约18万亿年（1.8 x 10 ^ 22年），相当于当前宇宙年龄的一万亿倍。

或许这样直接的叙述方式，让你无法对该发现有一个具象的感知。那么，我们可以换一种方式来表达：如果6500万年前，恐龙在此时灭绝，你有100个氙-124原子。按照统计学的角度来看，那么它们中的所有到了今天都应该仍然存在，这也标志着实验中直接测量的单个最长半衰期诞生。虽然之前有一个更长的半衰期（碲-128的衰变），但这种极为罕见的事件只是在纸上计算出来过，会比氙-124的半衰期长一百多倍。

双中微子双电子俘获需一系列“巧合”

这个过程和平时常见的放射性衰变形式有何不同？它们都是当原子核中的中子和质子比例发生变化、原子失去能量的时候，发生了双中微子双电子俘获。但是，这个更为罕见的过程会比常见的衰变模式需要的条件更加挑剔，会被一系列“巨大的巧合”所左右。大量的氙原子，都可以使得这种巧合排列的可能性变得更大。

关于它的工作原理，可以这样详细阐述：54个电子包围了所有氙-124原子，并且在核周围的朦脓壳中不停的旋转。当两个电子在靠近原子核的壳中同时迁移到原子核中，会撞击成一个质子，并且将这些质子转换成中子，而后便发生了双中微子双电子俘获。在这个过程中，还会产生该转换的副产品，核子会吐出两个中微子。

事件过程中的中微子是怎样的存在

中微子是轻子的一种，也是组成自然界的最基本粒子之一。它的个头很小、不带电，且可以自由的穿过地球。质量很轻的它以接近光速的速度运动，和其他任何物质的相互作用都非常微弱，因此有宇宙间的“隐身人”称号。科学界从预言到发现它的存在，一共耗时二十多年的时间。

其实，只要是粒子间的各种弱相互作用，原则上都会产生中微子。正是因为弱相互作用的速度缓慢，所以才造就了反应的主要障碍，这也是为什么中微子能轻易的穿过普通物质、而似乎并没有发生反应。或许你还不知道，大约每秒钟都有1000万亿量级的中微子（来自太阳）会穿过每个人的身体，哪怕是在夜晚的时候也不会例外。

探测中微子的仪器必须足够强大，正因为它和其他物质的相互作用很小，想要观测到中微子的数量并非易事，同时还需要隔绝宇宙射线和其他可能的背景干扰。随着探测技术的日渐提高，科学家们已经可以观测到来自天体的中微子，这也是一种新天文观测手段的产生。比如：冰立方-第一个立方公里大的中微子天文望远镜。

研究衰变原子中留下的空白空间

但难以捕捉的亚原子粒子并没有电荷、甚至没有质量，并几乎从不和任何物质发生相互作用。科学家们并没有办法可以测量那些飞向太空的中微子，除非使用一些极其敏感的设备。但，为了证明这个过程发生了两个中微子双电子捕获事件，科学家们转而开始研究衰变原子中所留下的空白空间。

原子核所捕获到的电子，原子壳中还有两个空位，它们从较高的炮弹中填满，产生了一连串的电子和X射线。这些X射线可以在探测器中沉积能量，科学家们也能通过实验数据清楚的看到。历经一年的时间、100个-124原子的衰变，终于找到了该过程的第一个直接证据。参与研究的科学家们虽然没有发现暗物质的痕迹，但却发现了宇宙中第二长的放射性衰变。

暗物质是宇宙保存最好的秘密之一

因为暗物质可对其他物质施加引力，却又不和光相互作用，所以科学家们一直无法弄清它到底由什么而构成。关于暗物质的推测有很多，比如WIMP、超轻粒子等，但这些想法并没有太多的证据可以支持。这也是为什么科学家们一直在研究和排除所有可能性。

除了重力之外，无法确定暗物质粒子和可见世界有任何的相互作用，想要发现一个具有一定质量、但又没其他相互作用的粒子，这本就是一件异常困难的事，虽然，这对解释暗物质而言是最简单的选择之一。目前，我们唯一可以确定的是：暗物质并不在我们已知的粒子物理学之中。在最终确定这些暗物质性质的观察证据之前，我们可以合理的进行猜测，并保持开放的心态，因为，时间会让我们越来越接近真实的答案。

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本文选自：今日头条