Alkimisti so že čez dan prenašali en element v drugega (navadno zlato). Izkazalo se je, da narava to počne ves čas brez kakršne koli pomoči od nas - čeprav običajno ne v zlato.
Ta naravna alkimija, imenovana radioaktivnost, se zgodi, ko element razpade in se s tem preoblikuje v drug element.
S preučevanjem nekaterih najredkejših razpadov lahko dobimo namig na nekaj najosnovnejšega fizike - fizika je tako temeljna, da morda le presega naše trenutno razumevanje.
Enega od teh nedostopnih radioaktivnih razpadov dejansko še nismo videli, fiziki pa so res v upanju, da ga bodo našli. Poimenovano dvakrat beta razpadanje z nevtrinozi, bi pomenilo, da radioaktivni elementi izpljunejo dva elektrona in nič drugega (niti brez dušnih, brezvestnih, komaj prisotnih delcev, znanih kot nevtrini). Če fizikom uspe razkriti ta razpad v resničnem svetu, bi kršil eno temeljnih pravil fizike in spodbudil dirko za iskanje novih.
Toda slaba novica za oboževalce nevtinoznega dvojnega beta razpada: Eden najdaljših poskusov nedavno objavljenih rezultatov ne kaže namigovanja o tem postopku, kar pomeni, da če pride do tega samoroga, je to zelo redko. In edini odgovor, ki ga trenutno imamo, je, da nadaljujemo s kopanjem in ohranjamo prekrižane prste.
Radioaktivni ostanki
Da bi razumeli pomembnost nevtrinoznega dvojnega beta razpada, se moramo vrniti več kot stoletje, do poznih 1800-ih, da bi razumeli, kaj je radioaktivno razpadanje na prvem mestu. Edino spreten Ernest Rutherford je ugotovil, da obstajajo tri različne vrste razpadov, ki jih je poimenoval alfa, beta in gama (ker zakaj ne).
Vsak od teh razpadov je pripeljal do drugačne emisije energije in Rutherford je ugotovil, da lahko tako imenovani "beta žarki" potujejo precej poti skozi nekaj kovinskih plošč, preden se ustavijo. Poznejši poskusi so razkrili naravo teh žarkov: Bili so samo elektroni. Tako so se nekateri kemični elementi (recimo cezij) preoblikovali v druge elemente (recimo barijev) in v tem procesu izlivali elektrone. Kaj daje?
Odgovor ne bi prišel še nekaj desetletij, potem ko smo ugotovili, iz katerih elementov so sestavljeni (drobni delci, imenovani protoni in nevtroni), iz katerih so izdelani protoni in nevtroni (tudi drobnejši delci, imenovani kvarki), in kako se ti subjekti pogovarjajo med seboj drugi notranji atomi (močne in šibke jedrske sile). Izvedeli smo, da se nevtron lahko nekega dne odloči, da postane proton, in pri tem oddaja elektron (nekoč imenovani beta žarki). Ker se je nevtron spremenil v protonov, število protonov pa določa, kakšen element ste, lahko skoraj čarobno dobimo elemente, ki se transformirajo v druge.
Shranite leptone
Da se ta transformacija zgodi, mora nevtron spremeniti svojo notranjo strukturo, svojo notranjo strukturo pa tvorijo manjši znaki, imenovani kvarki. Še posebej ima nevron en kvark "navzgor" in dva kvarka "navzdol", protoni pa obratno - en sam "dol" kvark in par kvarkov "navzgor". Torej, da spremenimo eno vrsto elementa v drugega - in naredimo beta sevanje po poti - moramo enega od teh kvarkov prevrniti navzdol in v vesolju obstaja le ena sila, ki to lahko stori: šibka jedrska sila .
Pravzaprav je to skoraj vsa šibka sila, ki jo kdaj počne: eno vrsto kvarkov spremeni v drugo. Torej šibka sila naredi svoje delovanje, navzdol kvark postane gornji kvark, nevtron postane proton in element se spremeni v drugega.
Toda fizične reakcije so vse v ravnovesju. Vzemimo za primer električni naboj. Predstavljajmo si, da smo začeli z enim samim nevtronom - seveda nevtralnim. Na koncu dobimo proton, ki je pozitivno nabit. To je ne, ne, zato je treba nekaj izravnati: negativno nabit elektron.
Potrebno je še eno uravnavanje: skupno število leptonov mora ostati enako. Lepton je le domišljijsko ime za nekatere najtanjše delce, kot so elektroni, in domišljijski izraz za to uravnavanje je "ohranjanje leptonovega števila." Tako kot pri električnem naboju moramo tudi na začetku in koncu zgodbe uravnotežiti. V tem primeru začnemo z nič leptoni, končamo pa z enim: elektron.
Kaj to uravnoteži? V reakciji nastane še en nov delček, antineutrino, ki šteje za negativni in uravnoteži vse.
Kdo potrebuje nevtrino?
Tukaj je zasuk: Lahko se zgodi neka vrsta beta razpada, ki sploh ne potrebuje nevtrina. Toda ali to ne bi kršilo tega pomembnega ohranjanja števila leptonov? Zakaj, da, bi bilo in bilo bi super.
Včasih se lahko zgodi dva beta razpada naenkrat, a v bistvu sta dva redna beta razpada, ki se dogajata istočasno v istem atomu, kar sicer redko ni vse tako zanimivo, izpljuneta dva elektrona in dve antinevtrini. Vendar obstaja hipotetični dvojni beta razpad, ki ne oddaja nevtrinov. Ta vrsta deluje le, če je nevtrino lastna anti-delnica, kar pomeni, da sta nevtrino in antineutrino popolnoma enaka stvar. In na naši trenutni ravni poznavanja vseh delcev, iskreno ne vemo, ali se nevtrino obnaša tako ali ne.
Nekoliko težko je opisati natančen notranji postopek v tem tako imenovanem nevtrinozalnem dvojnem beta razpadu, vendar si lahko predstavljate, da proizvedeni nevtrini medsebojno vplivajo, preden uidejo iz reakcije. Brez nevtrinov ta hipotetična reakcija sproži dva elektrona in nič drugega, kar krši ohranjanje lepton-števila, kar bi razbilo znano fiziko, kar bi bilo zelo razburljivo. Zato je lov za odkrivanje česa takega, saj je prva skupina, ki to stori, zagotovljena z Nobelovo nagrado. V desetletjih je veliko poskusov prihajalo in odhajalo z malo sreče, kar pomeni, da če ta postopek obstaja v naravi, mora biti zelo, zelo redek.
Kako redko? V nedavnem prispevku je ekipa, ki stoji za naprednim poskusom redkih procesov na osnovi molibdena (AMoRE), objavila svoje prve rezultate. Ta eksperiment išče nevtinološko razpadanje dvojne beta z uporabo veliko molibdena. In ugani kaj? Tako je, niso videli razpada. Glede na velikost njihovega eksperimenta in dolžino časa, ki so ga snemali, ocenjujejo, da se razpad dvojne beta zgodi z razpolovno dobo najmanj 10 ^ 23 let, kar je več kot trilijonkratnik trenutne starosti vesolje.
Ja, redki.
Kaj to pomeni? To pomeni, da bomo morali, če želimo najti novo fiziko v tej smeri, še naprej kopati in še naprej opazovati veliko več razpada.
Paul M. Sutter je astrofizik pri Državna univerza Ohio, gostitelj Vprašajte vesoljca in Vesoljski radioin avtorja Vaše mesto v vesolju.
