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Xenon-124

Atomzerfall trotz 18 Trilliarden Jahren Halbwertszeit nachgewiesen

Wissenschaftler haben in einem unterirdischen Labor zufällig den seltensten Vorgang des Universums beobachtet. Die Halbwertszeit von Xenon-124 liegt bei 18 Trilliarden Jahren und konnte nachgewiesen werden, während die Forscher nach dunkler Materie gesucht haben.

Gran Sasso d’Italia (Italien). Ein internationales Team aus Wissenschaftlern hat im Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) einen unvorstellbar seltenen radioaktiven Zerfall dokumentiert. Das Labor ist die größte unterirdische Einrichtung zur Untersuchung von Elementarteilchen der Welt. Es befindet sich tief im Gran-Sasso-Gebirge, um so von natürlich auftretender Radioaktivität vollkommen abgeschirmt zu sein. Eigentlich versuchen die Wissenschaftler dort dunkle Materie nachzuweisen, bei dem nun beobachteten Zerfallsprozess handelt es sich um einen Zufallsfund.

Das es neben stabilen Atomkernen auch Atomkerne gibt, die instabil sind und entweder unter Energieabgabe ihren Zustand ändern oder Teilen verlieren und sich so in einen anderen Atomkern umwandeln ist bereits seit dem 19. Jahrhundert bekannt. Die Halbwertszeit gibt an, wie lange es dauert, bis durch diesen Zerfallsprozess die Hälfte seiner Atomkerne in andere Atomkerne umgewandelt werden. Dieser Vorgang kann weniger als eine Mikrosekunde benötigen, er kann aber auch unverstellbar lang andauern und das Alter des Universums übersteigen.

Halbwertszeit von 1.8 ·10²² Jahren

Das Zentrum des unterirdischen Labors ist ein zylinderförmiger Tank, der 3.200 Kilogramm Xenon in flüssiger Form enthält. Eigentlich sollen in diesem Tank Kollisionen aufgezeichnet werden mit denen dunkle Materie nachgewiesen werden kann. Bisher haben die Wissenschaftler entsprechende Beweise zwar noch nicht gefunden, dafür konnten sie nun den Zerfall des Atoms Xenon-124 nachweisen.

Die Schätzungen der Wissenschaftler gehen davon aus, dass dieser Zerfallsprozess 18 Trilliarden Jahren benötigt. Das Alter des Universums wird auf 13,8 Milliarden Jahre geschätzt. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atomkern von Xenon-124 nach diesem Zeitraum zerfallen ist liegt bei 50 Prozent. Da das Xenon im Tank zu 0,1 Prozent aus Xenon-124 besteht, konnten die Wissenschaftler gleichzeitig eine große Menge Xenon-124-Atomkerne beobachten und so einen der selten auftretenden Prozesse dokumentieren.

In der im Fachmagazin Nature veröffentlichten Studie, erklären die Wissenschaftler, dass in den letzten zwei Jahren 126 Zerfallsprozesse von Xenon-124 dokumentiert wurden, aus denen sie die Halbwertszeit von 18 Trilliarden Jahren errechnet haben. Es handelt sich damit um den langsamsten jemals nachgewiesenen Vorgang im Universum.

Doppelter Elektroneneinfang

Der Xenon-124-Atomkern setzt sich aus 54 positiv geladenen Protonen, 70 neutral geladenen Neutronen und mehreren Atomschalen zusammen, auf denen sich negativ geladenen Elektronen befinden. Beim Zerfallsprozess fangen zwei Protonen des Atomkerns durch den doppelten Elektroneneinfach zwei Elektronen aus der innersten Schale des Atomkerns ein, die so in Neutronen umgewandelt werden. Anschließend werden zwei Neutrinos ausgesendet. Durch das so entstandene Ungleichgewicht in der Atomhülle, der nun zwei Elektronen fehlen, sortieren sich die verbleibenden Elektronen neu, was dafür sorgt, dass Energie in Form von Röntgenstrahlen abgestrahlt wird.

An der Erdoberfläche findet dieser seltene Prozess zwar auch statt, kann aufgrund der natürlich auftretenden Strahlung aber nicht gemessen werden. Durch die Lage des Labors im Berg und die somit nicht vorhandene Strahlung, war der Nachweis möglich. Die Wissenschaftler haben dazu im Detektor Lichtsignale aufgezeichnet, die einmal während des doppelten Elektroneneinfangs erzeugt werden und einmal als die freien Elektronen sich durch das flüssige Xenon nach oben bewegt haben. Durch die Bewegungsrichtung und die zeitliche Differenz zwischen den beiden Signalen konnte die exakte Position des Elektroneneinfangs und die freigesetzte Energie ermittelt werden.

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