利用埋藏在意大利Gran Sasso山脉下的XENON1T暗物质探测器，科学家们记录到了最罕见的事件：氙气-124的某种特殊类型的放射性衰变过程。

这是一项了不起的壮举，因为这种同位素的衰变周期极其漫长。实际上，氙-124的半衰期为18×10^22年，大约是宇宙年龄的1万亿倍。

放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需要的时间，叫半衰期(Half-life)。随着放射的不断进行，放射强度将按指数曲线下降，放射性强度达到原值一半所需要的时间叫做同位素的半衰期。
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元素在衰变过程中往往会释放或捕获质子、中子和电子。

对于氙气-124，研究人员尝试去辨识一种被称为双电子俘获的特殊事件，其中氙原子内的两个质子同时吸收两个电子，产生两个中子——研究团队将其描述为“一个罕见事件乘以另一个罕见事件，同时发生的就是极为罕见的事件”。

幸亏XENON1T具有令人难以置信的测量精度——该仪器旨在检测理论上的暗物质粒子与填充在装置罐中的1300千克氙同位素中的原子的相互作用。

但在这种情况下，传感器捕捉到了同位素本身的衰变过程。

“我们直接看到了衰变的发生。”纽约伦斯勒理工学院(RPI)的研究人员Ethan Brown说，“这是有史以来被人类观察到的最漫长、最缓慢的物理过程。能够亲眼目睹这一神奇的过程令人十分惊讶，我们的探测器检测到了有史以来最罕见的东西。”

科学家以前从未直接观察到这种氙同位素发生衰变，尽管我们在1955年通过理论推导算出了它的半衰期。最新的发现是支持理论的直接证据——虽说新的测量数据的统计学检验结果稍低于通常用来确认物理事实的标准置信度。

“一对电子从原子的最内层中被移除，给原子的外层轨道中留出了空间。”Brown说，“剩下的电子坍塌到基态，我们在探测器中观察到了坍塌的过程。”

尽管XENON1T被设计出来寻找暗物质，但现在的工作显示，这些精密仪器能够引发其他重要的科学发现。最新的观测结果可以告诉我们更多中微子的信息。

研究人员实际上看到了双中微子双电子的俘获过程——电子转移的结果意味着原子核发射了两个中微子。后续的挑战是检测到单中微子双电子的俘获过程——该事件甚至更为罕见。

这些信息可能有助于揭开粒子物理学最深层的秘密。

该研究被发表在Nature上。

本文译自 sciencealert，由 majer 编辑发布。

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