Evento mais raro já detectado demora mais que idade do Universo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/05/2019

O detector é um tanque de 1.300 quilogramas de xenônio líquido superpuro, protegido dos raios cósmicos em um criostato a 1.500 metros abaixo do nível do solo.
[Imagem: XENON1T Collaboration]

Fenômeno mais raro já medido

A colaboração internacional Xenon e seu laboratório subterrâneo localizado abaixo das montanhas Gran Sasso, na Itália, ainda não detectou qualquer sinal da fugidia matéria escura, mas conseguiu detectar algo que parecia muito mais difícil à primeira vista.

Em um recorde difícil de ser batido, os sensores do laboratório detectaram um evento cuja chance de ocorrência é de uma vez em um período equivalente a um trilhão de vezes mais tempo do que a idade inteira do Universo.

Especificamente, foi detectado o decaimento radioativo de um átomo de xenônio-124 (¹²⁴Xe), cuja meia-vida é de 1,8 x 10²² anos - a idade calculada do Universo é de 13 x 10⁹ anos.

A medição estabelece a meia-vida do xenônio-124 em 18 sextilhões de anos - se você preferir, um cansativo 18.000.000.000.000.000.000.000 anos.

A meia-vida é o intervalo de tempo após o qual metade dos átomos radioativos originalmente presentes em uma amostra decaiu, ou seja, transformou-se em um elemento mais leve pela emissão de radiação.

A Colaboração Xenon opera o XENON1T, um tanque de 1.300 quilos de xenônio líquido super-puro, protegido dos raios cósmicos em um criostato submerso em água a 1.500 metros abaixo do nível do solo. A equipe utiliza o equipamento para tentar detectar a matéria escura, registrando pequenos flashes de luz criados quando partículas interagem com o xenônio dentro do detector.

Embora o XENON1T tenha sido construído para capturar a interação entre uma hipotética partícula de matéria escura e o núcleo de um átomo de xenônio, o detector na verdade capta sinais de quaisquer interações com o xenônio.

Decaimento radioativo

A evidência do decaimento é produzida quando um próton dentro do núcleo do átomo é convertido em um nêutron. Na maioria dos elementos sujeitos ao decaimento, isso acontece quando um elétron é puxado para dentro do núcleo. Mas um próton em um átomo de xenônio precisa absorver dois elétrons para se converter em um nêutron, um evento chamado "captura dupla de elétrons".

A captura dupla de elétrons acontece apenas quando dois dos elétrons do átomo estão bem próximos ao núcleo na hora certa, o que é uma coisa rara multiplicada por outra coisa rara, o que a torna ultra-rara, explicou o professor Ethan Brown, membro da equipe.

Quando o ultra-raro aconteceu, e uma captura de elétrons duplos ocorreu dentro do detector, os instrumentos captaram o sinal de elétrons no átomo se rearranjando para preencher o lugar dos dois que foram absorvidos pelo núcleo.

O fenômeno é conhecido como captura dupla de elétrons.
[Imagem: 10.1038/s41586-019-1124-4]

Captura dupla de elétrons

Mais especificamente, o núcleo atômico do xenônio-124 consiste de 54 prótons carregados positivamente e 70 nêutrons, que são envolvidos por várias camadas atômicas ocupadas por elétrons carregados negativamente.

Na captura dupla de elétrons, dois prótons no núcleo simultaneamente "capturaram" dois elétrons da camada atômica mais interna, transformando-se em dois nêutrons e emitindo dois neutrinos. Com dois elétrons faltando na camada atômica, os outros elétrons se reorganizaram, com a energia desse rearranjo sendo liberada na forma de raios X.

Este processo ultra-raro geralmente é oculto por sinais da onipresente radioatividade "normal" do ambiente. No ambiente fechado do laboratório subterrâneo, no entanto, foi possível observar o processo.

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