Przekształcanie jednego żywiołu w drugi (zwykle w złocie, oczywiście) było czymś w rodzaju gorących snów i fantazji dla alchemików już w tamtych czasach. Okazuje się, że natura robi to cały czas bez naszej pomocy - choć zwykle nie w złoto.
Ta naturalna alchemia, zwana radioaktywnością, ma miejsce, gdy element rozpada się i w ten sposób przekształca się w inny element.
Studiując niektóre z najrzadszych rozpadów, możemy uzyskać wskazówkę dotyczącą niektórych z najbardziej fundamentalnych zagadnień z fizyki - fizyki tak fundamentalnej, że może ona być poza naszym obecnym zrozumieniem.
Jeden z tych nieuchwytnych rozpadów radioaktywnych nigdy nie został zaobserwowany, ale fizycy tak naprawdę mając nadzieję, że go znajdę. Zwany podwójnym rozpadem beta pozbawionym neutrin, oznaczałoby, że pierwiastki promieniotwórcze wyrzucają dwa elektrony i nic więcej (nawet upiorne, nienaładowalne, ledwo obecne cząstki zwane neutrinami). Jeśli fizykom uda się wykryć ten rozkład w prawdziwym świecie, naruszyłoby to jedną z podstawowych zasad fizyki i doprowadziłoby wyścig do znalezienia nowych.
Ale zła wiadomość dla fanów podwójnego rozpadu beta neutrinolowych: Jeden z najdłużej trwających eksperymentów, który niedawno opublikowano, nie wykazuje żadnej wskazówki na temat tego procesu, co oznacza, że jeśli ten proces jednorożca się zdarzy, to jest niezwykle rzadki. A jedyną odpowiedzią, jaką mamy teraz, jest kopanie, trzymanie kciuka.
Resztki radioaktywne
Aby zrozumieć znaczenie rozpadu podwójnego beta bez neutrinolitu, musimy cofnąć się o ponad sto lat, do końca XIX wieku, aby zrozumieć, czym jest rozpad radioaktywny. Był to wyjątkowo zręczny Ernest Rutherford, który zorientował się, że istnieją trzy różne rodzaje rozpadów, które nazwał alfa, beta i gamma (ponieważ dlaczego nie).
Każdy z tych rozpadów prowadził do innego rodzaju emisji energii, a Rutherford odkrył, że tak zwane „promienie beta” mogą przedostać się przez niektóre blachy dość daleko. Późniejsze eksperymenty ujawniły naturę tych promieni: były to tylko elektrony. Tak więc niektóre pierwiastki chemiczne (powiedzmy cez) przekształcały się w inne pierwiastki (powiedzmy bar) i podczas tego procesu wypluwały elektrony. Co daje?
Odpowiedź nie nadejdzie przez kilka następnych dziesięcioleci, kiedy dowiemy się, z czego zbudowane są elementy (maleńkie cząstki zwane protonami i neutronami), z jakich protonów i neutronów są wykonane (nawet drobniejsze cząsteczki zwane kwarkami) i jak te istoty rozmawiają z każdym inne wewnętrzne atomy (silne i słabe siły jądrowe). Dowiedzieliśmy się, że kaprysem neutron może pewnego dnia postanowić, że zostanie protonem, a tym samym wyemituje elektron (zwane niegdyś promieniami beta). Ponieważ neutron zamienił się w proton, a liczba protonów decyduje o tym, jakim jesteś elementem, możemy niemal magicznie przekształcić elementy w inne.
Uratuj leptony
Aby transformacja się dokonała, neutron musi zmienić swoją strukturę wewnętrzną, a jej struktura wewnętrzna składa się z mniejszych znaków zwanych kwarkami. W szczególności neutron ma jeden kwark „w górę” i dwa kwarki „w dół”, podczas gdy proton ma odwrotność - pojedynczy kwark „w dół” i parę kwarków w górę. Aby więc zmienić jeden rodzaj elementu na inny - i po drodze wytworzyć promieniowanie beta - musimy przerzucić jeden z tych kwarków z dołu do góry, a we wszechświecie jest tylko jedna siła zdolna do tego dokonać: słaba siła jądrowa .
W rzeczywistości to wszystko, co robi słaba siła: przekształca jeden rodzaj kwarka w inny. Tak więc słaba siła działa, kwark dolny staje się kwarkiem górnym, neutron staje się protonem, a element zmienia się w inny.
Ale w reakcjach fizycznych chodzi o równowagę. Weźmy na przykład ładunek elektryczny. Wyobraźmy sobie, że zaczęliśmy od pojedynczego neutronu - oczywiście neutralnego. Na koniec otrzymujemy proton, który jest naładowany dodatnio. To nie-nie, więc coś trzeba zrównoważyć: ujemnie naładowany elektron.
Potrzebny jest kolejny akt równoważenia: całkowita liczba leptonów musi pozostać taka sama. Lepton to tylko wymyślna nazwa niektórych najmniejszych cząstek, takich jak elektrony, a wymyślnym terminem tego aktu równoważenia jest „zachowanie liczby leptonów”. Podobnie jak w przypadku ładunku elektrycznego, musimy zrównoważyć początek i koniec historii. W tym przypadku zaczynamy od zerowych leptonów, ale kończymy na jednym: elektronie.
Co to równoważy? W reakcji powstaje kolejna nowa cząsteczka, antyneutrino, które liczy się jako negatywne, równoważąc wszystko.
Kto potrzebuje neutrina?
Oto zwrot: może istnieć rodzaj rozpadu beta, który wcale nie wymaga neutrino. Ale czy nie naruszyłoby to tak ważnego zachowania liczby leptonów? Dlaczego tak i byłoby wspaniale.
Czasami mogą wystąpić dwa rozpady beta jednocześnie, ale w zasadzie są to dwa regularne rozpady beta, które zachodzą jednocześnie w tym samym atomie, co, choć rzadkie, nie jest wcale takie interesujące, wyrzucając dwa elektrony i dwa antyneutrina. Ale istnieje hipotetyczny podwójny rozpad beta, który nie emituje neutrin. Ten rodzaj działa tylko wtedy, gdy neutrino jest własną antycząstką, co oznacza, że neutrino i antyneutrino są dokładnie tym samym. Na obecnym poziomie wiedzy o wszystkich cząstkach rzeczy szczerze mówiąc nie wiemy, czy neutrino zachowuje się w ten sposób, czy nie.
Trochę trudno jest opisać dokładny proces wewnętrzny w tak zwanym podwójnym rozpadzie beta bez neutrinolitu, ale można sobie wyobrazić, że wytworzone neutrina oddziałują ze sobą przed ucieczką od reakcji. Bez neutrin ta hipotetyczna reakcja powoduje wyrzucenie dwóch elektronów i nic więcej, co narusza zachowanie liczby leptonów, co złamałoby znaną fizykę, co byłoby bardzo ekscytujące. Dlatego polowanie rozpoczęło się w celu wykrycia czegoś takiego, ponieważ pierwsza grupa, która to zrobi, ma zagwarantowaną nagrodę Nobla. Przez dziesięciolecia wiele eksperymentów przyszło i zakończyło się powodzeniem, co oznacza, że jeśli proces ten istnieje w naturze, musi być bardzo, bardzo rzadki.
Jak rzadko W niedawnym artykule zespół prowadzący eksperyment z zaawansowanym procesem rzadkich procesów opartych na molibdenie (AMoRE) opublikował swoje pierwsze wyniki. W tym eksperymencie poszukiwano rozpadu podwójnego beta bez użycia neutrin przy użyciu, jak się domyślacie, dużej ilości molibdenu. I zgadnij co? Zgadza się, nie widzieli żadnych rozpadów. Biorąc pod uwagę rozmiar eksperymentu i długość czasu, który rejestrowali, szacują, że rozpady podwójnej beta występują z okresem półtrwania nie mniejszym niż 10 ^ 23 lat, czyli ponad bilion razy w stosunku do obecnego wieku wszechświat.
Tak, rzadko.
Co to znaczy? Oznacza to, że jeśli chcemy znaleźć nową fizykę w tym kierunku, będziemy musieli kopać i obserwować o wiele więcej rozpadów.
Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Radio kosmicznei autor Twoje miejsce we wszechświecie.
