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Forscher detektieren seltensten je beobachteten Atomzerfall

Ein Forscherteam mit Zürcher Beteiligung hat den langsamsten je gemessenen Atomzerfall beobachtet. Erstmals gelang es, den Zerfall des Xenon-124 zu detektieren, das eine Halbwertszeit von 18 Trilliarden Jahren hat.

(sda) In einem Untergrundlabor im italienischen Gran Sasso-Gebirge in rund 1500 Metern Tiefe geht es eigentlich darum, Teilchen der rätselhaften Dunklen Materie aufzuspüren. Das ist bisher zwar nicht gelungen, jedoch hat ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der Uni Zürich ein äusserst seltenes Phänomen beobachtet: Den Zerfall extrem stabiler Xenon-124-Atome. Davon berichten die Wissenschaftler im Fachblatt «Nature».

Dies sei der seltenste bisher gemessene Atomzerfall und der langsamste direkt nachgewiesene Vorgang im Universum, teilte die Hochschule am Mittwoch mit. Die Messung gelang mit dem Xenon1T-Detektor, einem etwa einen Meter grossen Tank in Zylinderform, der mit 3200 Kilogramm flüssigem Xenon gefüllt ist. Darin herrscht eine Temperatur von minus 95 Grad Celsius.

Unvorstellbare Halbwertszeit

Im Verlauf von zwei Jahren beobachteten die Forschenden insgesamt 126 dieser Zerfallsereignisse des Xenon-124. Dies erlaubte ihnen, die Halbwertszeit dieses Atoms zu berechnen, also die Zeitspanne, nach der die Hälfte der ursprünglich vorhandenen Atomkerne zerfallen sind. Die Halbwertszeit von Xenon-124 beträgt demnach 1,8 mal 10 hoch 22 Jahre, oder anders ausgedrückt: 18 Trilliarden Jahre. Dies ist über eine Billion mal länger als das Alter des Universums von rund 14 Milliarden Jahren, schrieb die Uni Zürich.

«Dass es uns gelungen ist, diesen Vorgang direkt zu beobachten, zeigt eindrucksvoll, welches Potenzial in unserer Messmethode steckt - auch für seltene physikalische Phänomene, die nicht von Dunkler Materie herrühren», sagte Laura Baudis von der Universität Zürich. Die Astroteilchenphysikerin ist mit ihrer Gruppe massgeblich am Xenon1T-Experiment beteiligt.

Protonen fangen Elektronen

Bei dem Zerfall handle es sich um einen sogenannten doppelten Elektroneneinfang, hiess es weiter. Der Xenon-124-Atomkern besteht aus 54 positiv geladenen Protonen und 70 neutralen Neutronen. Umhüllt wird er von mehreren Atomschalen mit negativ geladenen Elektronen. Bei dem nun beobachteten Prozess fingen zwei Protonen des Atomkerns zwei Elektronen von der innersten Atomschale ein, wandelten sich in Neutronen um und sandten zwei Neutrinos aus.

Durch das Fehlen der Elektronen sortieren sich die übrigen Elektronen um und senden Energie in Form von Röntgenstrahlung aus. Normalerweise wird dies durch das Hintergrundrauschen der «normalen» Radioaktivität überdeckt. Da das Laboratori Nazionali del Gran Sasso aber im Untergrund vor aller Radioaktivität abgeschirmt ist, konnten die Forschenden den seltenen Atomzerfall nun nachweisen.

Das Xenon1T-Experiment ist ein internationales Projekt, an dem rund 160 Forschende beteiligt sind. Seit 2018 wird der Detektor umgebaut, um ihn noch empfindlicher zu machen, um schliesslich womöglich doch Teilchen der Dunklen Materie nachzuweisen.

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