Zoektocht naar donkere materie stuit op zeldzaam atoomverval van xenon

## Zeldzaam Atoomverval Biedt Inzicht in Fundamentele Krachten en Donkere Materie **Gran Sasso, Italië –** Wetenschappers hebben een ongekend langzaam radioactief verval gemeten van het xenon-124 atoom, een gebeurtenis die de grenzen van onze kennis over de fundamentele krachten in de natuur verlegt. De meting, uitgevoerd in het Xenon1T-experiment diep onder de grond in de Gran Sasso berg in Italië, onthulde een halfwaardetijd van maar liefst 18 triljard jaar – een periode die vele malen langer is dan de leeftijd van het bekende universum. Hoewel het experiment primair gericht was op de zoektocht naar donkere materie, levert deze onverwachte ontdekking cruciale inzichten op in de kernfysica en de stabiliteit van atoomkernen. Het Xenon1T-experiment, een internationale samenwerking waaraan Nederlandse onderzoekers van het Nikhef-instituut bijdragen, maakt gebruik van een enorme tank gevuld met 3,2 ton vloeibaar xenon. Dit edelgas, bekend van zijn toepassing in xenonlampen, werd geselecteerd vanwege zijn relatieve zuiverheid en de aanwezigheid van verschillende isotopen, waaronder xenon-124. Isotopen zijn varianten van hetzelfde element die hetzelfde aantal protonen (in dit geval 54 voor xenon) hebben, maar verschillen in het aantal neutronen in hun kern. Xenon-124, met 70 neutronen, ondergaat een proces genaamd ‘double electron capture’. Bij double electron capture slokken twee protonen in de atoomkern tegelijkertijd twee elektronen op. Dit proces verandert de protonen in neutronen, waardoor het atoom verandert in een ander element: tellurium. Tegelijkertijd worden twee neutrino’s, subatomaire deeltjes met een zeer geringe massa, vrijgelaten. Deze neutrino’s zijn cruciaal voor de detectie van het verval, omdat ze geen elektromagnetische interactie hebben en daardoor moeilijk te detecteren zijn. De extreem lange halfwaardetijd van xenon-124, die aanzienlijk langer is dan de huidige schatting van de leeftijd van het universum (ongeveer 13,8 miljard jaar), maakt dit verval uiterst zeldzaam. Hoogleraar Auke Pieter Colijn van Nikhef, betrokken bij het experiment, benadrukt dat de halfwaardetijd niet betekent dat een enkel atoom pas na 18 triljard jaar vervalt. "De halfwaardetijd vertelt je hoe lang het duurt voordat de helft van een hoeveelheid van een atoomsoort vervallen is," legt hij uit. "Met een enorme hoeveelheid atomen, zoals in de tank van het Xenon1T-experiment, zullen er binnen afzienbare tijd een aantal van vervallen." De meting van dit zeldzame verval is van groot belang voor de kernfysica. Het biedt een unieke kans om de zwakke kernkracht, een van de vier fundamentele krachten in de natuur, nauwkeuriger te bestuderen. De zwakke kracht is verantwoordelijk voor processen zoals radioactief verval en de fusie van waterstof tot helium in de zon. De halfwaardetijd van xenon-124 is aanzienlijk langer dan theoretische modellen voorspelden, wat suggereert dat er mogelijk nog onbekende factoren in het spel zijn. Bovendien draagt de ontdekking bij aan de zoektocht naar donkere materie. Hoewel het Xenon1T-experiment primair ontworpen is om te zoeken naar interacties tussen donkere materiedeeltjes en xenonatomen, kan het bestuderen van zeldzame vervalprocessen zoals double electron capture helpen om de achtergrondruis te verminderen en de gevoeligheid van het experiment te verbeteren. Een beter begrip van de achtergrondruis is essentieel om subtiele signalen van donkere materie te kunnen detecteren. De zoektocht naar donkere materie is een van de grootste uitdagingen in de moderne natuurkunde. Donkere materie, die niet interageert met licht en daardoor onzichtbaar is, vormt naar schatting ongeveer 85% van de totale materie in het universum. De aard van donkere materie blijft een mysterie, en het Xenon1T-experiment, samen met andere experimenten wereldwijd, speelt een cruciale rol in de poging om dit raadsel op te lossen. De recente meting van het xenon-124 verval, hoewel niet direct gerelateerd aan donkere materie, levert waardevolle data en inzichten die de zoektocht naar deze ongrijpbare substantie kunnen versnellen. De resultaten van het Xenon1T-experiment zijn een testament voor de kracht van internationale wetenschappelijke samenwerking en de voortdurende drang om de fundamentele wetten van de natuur te begrijpen. De ontdekking van het extreem langzame verval van xenon-124 is niet alleen een wetenschappelijke mijlpaal, maar ook een herinnering aan de onbegrensde mogelijkheden die zich openen wanneer we de diepten van het universum verkennen. ## Kernfeiten - Wetenschappers hebben een halfwaardetijd van 18 triljard jaar gemeten voor het xenon-124 atoom. - Het experiment, Xenon1T, is gelegen diep onder de grond in de Gran Sasso berg in Italië. - Xenon-124 vervalt via een proces genaamd ‘double electron capture’, waarbij het verandert in tellurium. - De meting is significant langer dan voorspeld door theoretische modellen. - De ontdekking draagt bij aan de zoektocht naar donkere materie door de achtergrondruis in experimenten te verminderen. - Nederlandse onderzoekers van het Nikhef-instituut zijn betrokken bij het experiment. - De halfwaardetijd is vele malen langer dan de leeftijd van het bekende universum. - De meting biedt inzicht in de zwakke kernkracht. - Het Xenon1T-experiment gebruikt een tank met 3,2 ton vloeibaar xenon. - Neutrino’s worden vrijgelaten bij het vervalproces en zijn cruciaal voor de detectie. ## Achtergrond De meting van het xenon-124 verval is een zeldzame gebeurtenis die de grenzen van onze kennis over kernfysica verlegt. Het illustreert de complexiteit van atoomkernen en de fundamentele krachten die hun stabiliteit bepalen. De zoektocht naar donkere materie, een van de grootste mysteries in de moderne natuurkunde, is afhankelijk van de detectie van subtiele signalen die vaak worden overschaduwd door achtergrondruis. Door het bestuderen van zeldzame vervalprocessen zoals double electron capture, kunnen wetenschappers deze achtergrondruis beter begrijpen en de gevoeligheid van donkere materie-experimenten verbeteren. De internationale samenwerking die het Xenon1T-experiment mogelijk maakt, onderstreept de mondiale inspanning om de fundamentele wetten van het universum te ontrafelen. ## Media perspectief Het NRC Handelsblad benadrukt de uitzonderlijke lange halfwaardetijd en de implicaties voor de kernfysica, waarbij de focus ligt op de verrassing dat de meting afwijkt van theoretische voorspellingen. Andere bronnen zouden waarschijnlijk de link met de zoektocht naar donkere materie meer benadrukken, omdat dit het experiment een bredere relevantie geeft voor het publiek. De nadruk op de internationale samenwerking en de locatie van het experiment (diep onder de grond in een berg) zou in verschillende media-aandacht verschijnen, afhankelijk van de gewenste invalshoek.