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Seltener Zerfall von Xenon 124 mit Rekordhalbwertszeit

26.04.2019 | 10:48 Uhr | Peter Müller

Billionenfach länger als das Alter des Universums ist die Halbwertszeit des doppelten Elektroneneinfalls von Xenon 124.

Im LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) tief unter dem Gran-Sasso-Massiv haben Physiker einen extrem seltenen radioaktiven Zerfall gemessen und dessen Halbwertszeit bestimmt . Für den doppelten Elektroneneinfang – eine Art inverser Beta-Zerfall – von Xenon 124 beträgt diese 1,8 mal 10 22 Jahre – das billionenfache Alter des Universums. Der eingesetzte Detektor besteht aus 3200 Kilogramm flüssigen Xenon bei -95 Grad Celsius und sollte an sich dabei helfen die so genannte dunkle Materie des Universums aufzuspüren. Das ist bisher nicht gelungen, durch das seltene Ereignis, bei dem zwei Antineutrinos frei wurden, will man aber mehr über die Natur jener mysteriösen Teilchen erfahren können.

Beim doppelten Elektroneneinfang fangen sich gewissermaßen zwei Protonen aus der äußeren Schale des Kerns die beiden Elektronen der innersten Schale der Atomhülle ein und werden unter Aussendung von jeweils einem Elektron(anti)neutrino zu Neutronen. In der Atomhülle rekombinieren Elektronen aus äußeren Hüllen, stürzen gewissermaßen nach innen und geben dabei Energie in Form von Röntgenstrahlung ab. Die entstehenden freien Elektronen aus der äußeren Schale geben an der Oberfläche des Detektors ein weiteres Signal.

Um diese überhaupt messen zu können, benötigt es nicht nur empfindliche Detektoren, sondern auch eine Abschirmung gegen die allgegenwärtige kosmische Strahlung, die seltene Ereignisse wie dieses überlagern und damit nicht mehr aufspürbar machen werde. Das ist auch der Grund, warum das LNGS unter einigen Kilometern Alpengestein in den Gran-Sasso-Tunnel gebaut wurde. Auf diese Weise konnten die beteiligten Forscher unter anderem Neutrino-Oszillationen nachweisen: Von der Sonne emittierte Tau-, My- und Elektronneutrinos wandelten sich unterwegs nachweisbar in eine jeweils andere Neutrino-Familie um, was beweist, dass diese mit Materie nur seht schwach wechselwirkenden Teilchen eine Masse aufweisen. Genaue Kenntnis über die Neutrinomasse könnte Aufschlüsse darüber geben, ob sie die dunkle Materie des Universums bilden oder zumindest einen wesentlichen Teil davon. "Dunkle" Materie deshalb, weil die im elektromagnetischen Spektrum "sichtbare" beobachtbare Materie nicht ausreicht, um die Bewegungen von Galaxien und Galaxienhaufen zu erklären: Es ist offensichtlich mehr Gravitation am Werk, als man mit der sichtbaren Materie erklären könnte.

Für die Betreiber des Experiments mit dem XENON1T-Detektor zeigt das Ergebnis vor allem, wie zuverlässig der Aufbau seltene Zerfälle messen kann. Aus den in den letzten beiden Jahren registrierten 126 Ereignissen lässt sich die Halbwertszeit für den Zerfall bestimmen, die ermittelte ist die längste in der Natur beobachtete. Eine Obergrenze für Halbwertszeiten gibt der Protonenzerfall – eine Halbwertszeit für die bereits im Urknall entstandenen elementaren Bausteine ist bisher nur theoretisch abschätzbar, sie beträgt zwischen 10 31 und 10 36 Jahre. Es wird also eine Weile dauern, bis das Universum in seine Bestandteile zerbröselt ist.

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