nieuws het verval van xenon-124

Natuurkundigen meten één van de zeldzaamste processen ter wereld

Binnenkant van de watertank van Xenon1T. Dat water biedt nog een extra laag bescherming om het xenon in zijn binnenste tegen ruis van buiten te beschermen. Beeld Xenon1T

Fysici hebben één van de zeldzaamste processen ter wereld gezien. De waarneming opent de deur naar nieuwe inzichten in de manier waarop de bouwstenen van onze werkelijkheid op elkaar passen. 

Alsof een Nederlandse voetbalclub de halve finale van de Champions League haalt, of je met een kraslot de hoofdprijs wint, maar dan nóg veel zeldzamer. Onderzoekers verbonden aan het Xenon1T-experiment beschreven in het vakblad Nature hoe ze de stof xenon-124 van vorm zagen veranderen – vervallen tot een andere stof, zoals fysici zeggen. Het is het zeldzaamste atoomverval dat fysici ooit hebben gemeten.

De metingen zijn bovenal van belang voor een beter begrip van hoe grote atoomkernen aan elkaar kunnen kleven. Ook kunnen ze leiden tot de ontdekking van scheurtjes in het standaardmodel van de deeltjesfysica, het model dat alle deeltjes en hun onderlinge interacties vangt in een formule die past op een t-shirt of koffiemok. Dergelijke scheurtjes zouden ons begrip van hoe de werkelijkheid in elkaar steekt volkomen op zijn kop kunnen zetten.

Van auto naar motorfiets

Bij het verval van stoffen zoals xenon-124 verliezen of vervangen de atomen van die stof onderdelen. Daardoor veranderen ze in andere stoffen, vergelijkbaar met een auto die twee wielen kwijt raakt en vervolgens door het leven gaat als motorfiets. In het geval van xenon vangt het atoom twee extra elektronen en stoot twee zogeheten neutrino’s uit. Aan het eind van de rit is xenon veranderd in een ander stofje: telluur-124.

Die gebeurtenis is zo zeldzaam dat in een doos vol xenon pas na 18 miljard biljoen jaar de helft in telluur is veranderd; 1 biljoen keer langer dan de leeftijd van het universum. Dat maakt het verval van xenon-124 tot de langzaamste die fysici ooit hebben gemeten. Een wereldrecord, dus. ‘Ik vind het echt heel cool dat we dit extreem langzame proces kunnen meten’, zegt Patrick Decowski (Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef), die de leiding heeft over de Nederlandse bijdrage aan het experiment.

Fysicus Jordy de Vries (University of Massachussets Amherst), zelf niet bij het experiment betrokken, noemt de ontdekking ‘uitstekend en erg interessant’. En dan niet alleen vanwege het record, maar vooral vanwege de bijdrage aan onze kennis over fundamentele natuurkunde. De kern van xenon-124 bestaat uit protonen en neutronen, die op hun beurt weer bestaan uit kleinere deeltjes, quarks. ‘Het standaardmodel beschrijft de natuurkunde op quarkniveau, maar het is dan nog een hele klus om dit te vertalen naar een systeem zo complex als xenon-124’, zegt hij. Daarvoor heb je een goede kerntheorie nodig, die beschrijft hoe je alle legoblokjes waaruit atomen bestaan op elkaar kunt klikken. Volgens De Vries blijkt uit het huidige experiment dat de moderne kerntheorie ook voor dit soort grote atomen goed klopt.

Het Xenon1T-experiment in het ondergrondse Gran Sasso laboratorium, in Italië. Links de watertank, met daarin de container vol xenon. Rechts de analyseapparatuur en het overig toebehoren van het experiment. Beeld Xenon1T

Scheurtjes in het model

Het toegenomen vertrouwen in die theorie zorgt ervoor dat fysici steviger in hun schoenen staan bij hun zoektocht naar scheurtjes in het standaardmodel. ‘We kunnen dan misschien antwoord vinden op een aantal grote vragen’, zegt de fysicus van University of Massachussets Amherst. Zo zouden fysici onder meer antwoord kunnen vinden op het raadsel waarom het heelal tjokvol materie zit, terwijl anti-materie, zijn natuurkundig spiegelbeeld, vrijwel nergens te bekennen is. Volgens het standaardmodel zouden beide soorten materie evenveel moeten voorkomen. 

Dat de onderzoekers vervallend xenon op heterdaad konden betrappen in hun experiment, komt onder meer omdat Xenon1T 3,2 ton xenon bevat. In totaal zaten daarin naar schatting zo’n 10 quadriljoen (een 1 met 25 nullen) atomen xenon-124. Dat is zo onthutsend veel dat je zelfs de meest zeldzame processen af en toe zult zien gebeuren. Tijdens het half jaar dat de fysici al die atomen in de gaten hielden, zagen ze er 126 keer eentje veranderen in telluur-124.

Het signaal dat zo’n verandering oplevert is zo zwak, dat het meestal verdrinkt in achtergrondruis. De onderzoekers moesten hun experiment daarom goed afsluiten voor de buitenwereld. Xenon1T ligt verscholen in het nationaal laboratorium Gran Sasso in Italië, een plek die nog het meest wegheeft van de geheime basis van een schurk uit een James Bond-film. Het laboratorium bevindt zich middenin een berg, en je kunt alleen naar binnen via twee metershoge, dikke stalen deuren.

Draaimolens

Xenon1T is overigens niet gebouwd voor metingen aan xenon zelf. Het experiment is eigenlijk bedoeld om jacht te maken op donkere materie, een onzichtbaar ‘iets’ dat samen verantwoordelijk is voor 85 procent van alle massa in het heelal. Het zorgt er onder meer voor dat sterrenstelsels niet uit elkaar vliegen als een soort op hol geslagen draaimolens. Veel fysici denken dat die donkere materie bestaat uit deeltjes – deeltjes die Xenon1T zou kunnen meten. Dat is echter nog altijd niet gebeurd.

Dat zou kunnen betekenen dat men op het verkeerde spoor zit. Maar voor die conclusie is het te vroeg, zegt Decowski. Het kan ook best dat het instrument nog niet gevoelig genoeg is. Op dit moment werken fysici daarom aan een upgrade van het apparaat, waarbij de inhoud van de tank met xenon wordt vergroot van 3,2 naar 8 ton. ‘Aan het einde van dit jaar willen we daar metingen mee gaan doen’, zegt hij. Ook de generatie daarna staat al in de planning: de Darwin-detector, met 50 ton xenon aan boord. Die moet over tien jaar klaar zijn.

Die opvolgers gaan niet niet meer uitsluitend zoeken naar donkere materie. ‘Wat dit onderzoek belangrijk maakt, is dat het laat zien dat dit type instrument heel veelzijdig is’, zegt fysicus Sascha Caron (Radboud Universiteit), niet bij Xenon1T betrokken.

‘Volgende generaties xenon-detectoren kunnen onder meer gaan speuren naar vervalprocessen die volgens het standaardmodel niet mogen’, zegt Decowski. Dat kan zorgen voor nieuwe inzichten in hoe de natuurkunde op het meest fundamentele niveau werkt.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden