Die Photodetektoren von Xenon1T. Welcher davon den langsamsten atomaren Zerfall aller Elemente beobachtete, ist nicht überliefert. Foto: Xenon Collaboration
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Zerfall von Xenon-124 Forscher beobachten "seltenstes Ereignis" der Welt

Ein Forscherteam war auf der Suche nach der mysteriösen Dunklen Materie. Stattdessen machten sie eine rekordverdächtige Entdeckung.

Xenon kann man zum Leuchten bringen, etwa in Scheinwerfern oder in Halogenlampen für zuhause. Das Xenon allerdings, das jetzt in einem Stollen im Gran-Sasso-Massiv in Italien geleuchtet hat, leuchtet sehr selten. Sehr, sehr selten. Richtig geleuchtet hat es eigentlich auch nicht, eher kurz aufblitzend ein Signal abgegeben, das dann in einem Detektor aufgeleuchtet ist.

Seltenstes je registriertes Signal

Was das Instrument „ Xenon1T“ registriert hat, kann man nach Angaben beteiligter Forscher vom New Yorker Rensselaer Polytecnic Institute als das seltenste bislang überhaupt je beobachtete Ereignis bezeichnen: den radioaktiven Zerfall des Isotops Xenon-124. Dieser sei bislang nur theoretisch vorhergesagt, aber nie registriert worden, wie Rensselaer-Forscher Ethan Brown der BBC sagte. Die Halbwertzeit von Xenon-124 - also die Zeit, in der die Hälfte einer bestimmten Menge radioaktiv zerfällt - liegt demnach bei etwa 18 Trilliarden Jahren, wobei eine Trilliarde eine Eins mit 21 Nullen ist. Unser Universum ist etwa 14 Milliarden Jahre alt (eine Milliarde ist eine Eins mit neun Nullen), nur so als Vergleich.

Wer seit Bestehen des Universums ein einzelnes Xenon-124-Atom beobachtet hat, hatte also in dieser nicht wirklich kurzen Zeitspanne eine Chance von etwa - wenn wir richtig gerechnet haben - eins zu einer Billion, Zeuge von dessen Zerfall zu werden. Wer dagegen etwa ein Jod-131-Atom auf diese Weise verfolgt, hat schon nach acht Tagen eine 50/50-Chance, dessen Zerfall zu beobachten.

Der Zerfall von Xenon-124 ist deshalb so selten, weil dafür zwei Protonen im Atomkern gleichzeitig zwei kernnahe Elektronen aufnehmen müssen, woraus dann nach Abgabe von zwei Neutrinos zwei Neutronen werden. Dafür ist eine Konstellation nötig, die sich fast nie ergibt. Eine solche "Double Electron Capture" wurde, inklusive der jetzigen Beobachtung, auch insgesamt erst bei drei Elementen überhaupt dokumentiert

Vom seltenen Ereignis zur dunklen Materie

Wenn ein Einzelereignis eher selten zu erwarten ist, man es aber trotzdem erleben will, bleibt einem nichts anderes übrig, als sehr viel von dem Material, dem ein Ereignis widerfahren kann, zusammenzubringen. Im Lotto etwa erhöht man seine Chance, wenn man sehr viele Scheine ausfüllt.

In diesem Falle musste man folglich sehr viel Xenon - das auch nur zu etwa 0,1 Prozent aus jenem Isotop besteht - sehr sauber und damit störungsarm zusammenpacken und ein extrem sensibles Instrument dazu bauen, um überhaupt die Chance zu haben, ein einzelnes Teilchen zerfallen zu sehen. Das kostet, wie die vielen Lottoscheine, sehr viel Geld, aber genau das hat ein internationales Wissenschaftlerteam gemacht. Der Grund, in 1500 Metern Tiefe, also bestmöglich geschützt vor kosmischer Strahlung, ein solches auch recht teures Instrument zu installieren, war allerdings gar nicht die Suche nach seltenen Zerfällen, sondern die nach seltenen Zusammenstößen: Der Detektor soll die mysteriöse „Dunkle Materie“ aufspüren. Von der gibt es im Weltall viel mehr als normale Materie. Aber sie interagiert kaum mit letzterer.

Kollision erwünscht

Flüssiges Xenon sollte sich gut eignen, doch einmal einen solchen Zusammenstoß aufzuzeichnen, weil es eine hohe Dichte hat. Zudem steht es ziemlich weit hinten im Periodensystem, was - etwas vereinfacht gesprochen - auch bedeutet, dass jedes einzelne Atom auch sehr viele Elementarteilchen hat, mit denen dann doch einmal ein Stück dunkler Materie kollidieren könnte. Der jetzige Nachweis, publiziert im Magazin "Nature", bestätigt die Forscher vor allem darin, dass ihr Instrument empfindlich genug für diese Aufgabe ist. rif

Anmerkung d. Red.: Einem aufmerksamen Leser fiel auf, dass aus einem Proton und zwei Elektronen weder physikalisch noch mathematisch noch philosophisch ein Neutron werden kann. Das stimmt. Wir hatten es falsch formuliert und haben den Fehler jetzt neutralisiert, es also geändert.

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