Transmiterea unui element în altul (de obicei aurul, desigur) a fost chestia viselor și imaginațiilor fanteziste pentru alchimiști în timpul zilei. Se dovedește că natura o face tot timpul fără niciun ajutor din partea noastră - deși nu de obicei în aur.
Această alchimie naturală, numită radioactivitate, se întâmplă atunci când un element se descompune și, în acest sens, se transformă într-un alt element.
Studiind unele dintre cele mai rare decăderi, putem obține o idee despre unele dintre cele mai fundamentale ale fizicii - fizica atât de fundamentală, ar putea fi chiar dincolo de înțelegerea noastră actuală.
Una dintre aceste decăderi radioactive evazive nu a fost niciodată văzută, dar fizicienii sunt într-adevăr sperând să o găsească. Numită neutrinolă dublă beta-degradare, ar însemna că elementele radioactive scuipau doi electroni și nimic altceva (nici măcar particule fantomate, fără sarcină, de abia există, cunoscute sub numele de neutrini). Dacă fizicienii reușesc să detecteze această degradare în lumea reală, ar încălca una dintre regulile fundamentale ale fizicii și ar alimenta o cursă pentru a găsi altele noi.
Însă veștile proaste pentru fanii neutrinoless dubla beta-beta: Unul dintre cele mai îndelungate experimente care au publicat recent rezultatele care arată nici un indiciu al acestui proces, ceea ce înseamnă că, dacă acest proces de unicorn are loc, este incredibil de rar. Și singurul răspuns pe care îl avem în acest moment este să continuăm să săpați, să menținem degetele încrucișate.
Resturi radioactive
Pentru a înțelege importanța descompunerii dublu-beta neutrinolente, trebuie să ne întoarcem mai mult de un secol, până la sfârșitul anilor 1800, pentru a înțelege ce este în primul rând descompunerea radioactivă. Ernest Rutherford a fost cel mai iscusit care a dat seama că există trei tipuri diferite de decăderi, pe care le-a numit alfa, beta și gamma (pentru că de ce nu).
Fiecare din aceste decăderi a dus la un fel de emisie diferită de energie și Rutherford a descoperit că așa-numitele „raze beta” ar putea călători destul de mult prin niște foi de metal înainte de oprire. Experimentele ulterioare au relevat natura acestor raze: erau doar electroni. Așadar, unele elemente chimice (să zicem, cesiu) se transformau în alte elemente (să zicem, bariu), iar în proces scuipau electroni. Ce dă?
Răspunsul nu va veni încă câteva decenii, după ce ne-am dat seama din ce elemente sunt formate (particule minuscule numite protoni și neutroni), din ce protoni și neutroni sunt făcuți (chiar și particule mai mici numite quark) și cum aceste entități vorbesc cu fiecare alte atomi din interior (forțele nucleare puternice și slabe). Am aflat că, dintr-un capriciu, un neutron poate decide într-o zi să devină proton și, în proces, să emită un electron (raze beta numite odată). Deoarece neutronul s-a schimbat într-un proton și numărul de protoni determină ce fel de element ești, putem obține aproape magic elemente transformându-se în altele.
Salvați leptonele
Pentru a face această transformare, neutronul trebuie să-și schimbe structura internă, iar structura sa internă este formată din caractere mai mici numite quark. În special, un neutron are un quark „sus” și doi quark-uri „în jos”, în timp ce un proton are reversul - un singur quark „jos” și o pereche de quark-uri „sus”. Așadar, pentru a schimba un fel de element în altul și pentru a face radiații beta, pe parcurs - trebuie să răspundem unul dintre aceste quarkuri de jos în sus și există o singură forță în univers capabilă să facă acest lucru: forța nucleară slabă .
De fapt, asta este aproape toată forța slabă făcută vreodată: transformă un fel de quark în altul. Deci forța slabă își face treaba, un quark în jos devine un quark în sus, un neutron devine proton și un element se schimbă în altul.
Dar reacțiile fizice se referă la echilibru. Luați, de exemplu, sarcina electrică. Să ne imaginăm că am început cu un singur neutron - neutru, desigur. La sfârșit obținem un proton, care este încărcat pozitiv. Acesta este un no-no, și deci trebuie să o echilibrăm: electronul încărcat negativ.
Și este nevoie de un alt act de echilibrare: numărul total de leptoni trebuie să rămână la fel. Lepton este doar un nume fantezist pentru unele dintre cele mai mici particule, cum ar fi electronii, iar termenul fantezist pentru acest act de echilibrare este „conservarea numărului de lepton”. Ca și în cazul sarcinii electrice, trebuie să echilibrăm începutul și sfârșitul poveștii. În acest caz, începem cu zero leptone, dar terminăm cu unul: electronul.
Ce îl echilibrează? O altă particulă nouă este creată în reacție, un antineutrino, care contează ca negativ, echilibrând totul.
Cine are nevoie de un neutrino?
Iată răsucirea: Poate exista un fel de beta-degradare care nu necesită deloc un neutrin. Dar nu ar încălca această conservare a numărului de leptone atât de importantă? De ce, da, ar fi și ar fi minunat.
Uneori, două degradări beta se pot întâmpla simultan, dar, în principiu, două degradări beta obișnuite se întâmplă simultan în același atom, care, deși rare nu este atât de interesant, scuipând doi electroni și doi antineutrini. Dar există o hipotetică dublă degradare beta care nu emite neutrini. Acest tip funcționează numai dacă neutrino este propriul antiparticul, ceea ce înseamnă că neutrino și antineutrino sunt exact același lucru. Și la nivelul nostru actual de cunoaștere a tuturor particulelor, sincer nu știm dacă neutrino se comportă în acest fel sau nu.
Este puțin greu să descrieți procesul intern exact în această așa-numită descompunere neutrinolă dublă beta, dar vă puteți imagina neutrinoii produși interacționând cu ei înșiși înainte de a scăpa de reacție. Fără neutrini, această reacție ipotetică scoate doi electroni și nimic altceva, încălcând astfel conservarea numărului de lepton, care ar rupe fizica cunoscută, ceea ce ar fi foarte interesant. Prin urmare, vânătoarea urmează să detecteze ceva de genul acesta, deoarece primul grup care o face este garantat cu un premiu Nobel. De-a lungul deceniilor, multe experimente au venit și au trecut cu puțin noroc, ceea ce înseamnă că, dacă acest proces există în natură, acesta trebuie să fie foarte, foarte rar.
Cât de rar? Într-o lucrare recentă, echipa din spatele Experimentului de proces rar bazat pe Molibdenum (AMoRE) a lansat primele rezultate. Acest experiment caută o descompunere dublu-beta neutrinolă folosind, ați ghicit, o mulțime de molibden. Si ghici ce? Așa este, nu au văzut decăderi. Având în vedere dimensiunea experimentului lor și durata în care au fost înregistrate, ei estimează că decăderea dublu-beta are loc cu un timp de înjumătățire de cel puțin 10 ^ 23 ani, ceea ce este mai mult de un trilion de ori de vârsta actuală de Universul.
Da, rar.
Ce inseamna asta? Înseamnă că, dacă dorim să găsim fizică nouă în această direcție, va trebui să continuăm să săpați și să urmărim cu mult mai multe decăderi.
Paul M. Sutter este astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio, gazda Întrebați un Spaceman și Radio spațială, și autorul Locul tău în Univers.
