Превръщането на един елемент в друг (обикновено злато, разбира се) беше нещата от свирепи сънища и фантастични въображения за алхимиците още през деня. Оказва се, че природата го прави непрекъснато без никаква помощ от нас - макар и обикновено не в злато.
Тази естествена алхимия, наречена радиоактивност, се случва, когато елемент се разпадне и по този начин се трансформира в друг елемент.
Изучавайки някои от най-редките разложения, можем да получим намек за някои от най-фундаменталните физики - физиката толкова фундаментална, че може просто да е извън нашето сегашно разбиране.
Един от тези неуловими радиоактивни разложения всъщност никога не е наблюдаван, но физиците са наистина ли надявайки се да го намеря. Наречен безтритрово двойно-бета гниене, това би означавало, че радиоактивни елементи изплюват два електрона и нищо друго (дори призрачни, безплатни, едва-там частици, известни като неутрино). Ако физиците успеят да забележат този разпад в реалния свят, това би нарушило едно от основните правила на физиката и подклажда състезание за намиране на нови.
Но лоша новина за феновете на безтринозно двойно-бета гниене: Един от най-продължителните експерименти, публикувани наскоро, не показва никакъв намек за този процес, което означава, че ако този еднорог процес се случи, това е невероятно рядко. И единственият отговор, който имаме в момента, е да продължим да копаем, да държим пръстите си кръстосани.
Радиоактивни остатъци
За да разберем значението на неутрино бездвоено-бета разпад, трябва да се върнем повече от един век, към края на 1800 г., за да разберем какво радиоактивно разпад е на първо място. Единствено умелият Ърнест Ръдърфорд разбра, че има три различни вида разлагания, които той нарече алфа, бета и гама (защото защо не).
Всеки от тези разпадания доведе до различен вид излъчване на енергия и Ръдърфорд откри, че така наречените „бета лъчи“ могат да преминат доста пътища през някои метални листове, преди да спрат. По-късни експерименти разкриха природата на тези лъчи: Те бяха просто електрони. Така някои химически елементи (да речем, цезий) се трансформирали в други елементи (да речем, барий) и в процеса изплювали електрони. Какво дава?
Отговорът няма да дойде още няколко десетилетия, след като разбрахме от какви елементи са направени (мънички частици, наречени протони и неутрони), от какви протони и неутрони са направени (дори по-мънички частици, наречени кварки) и как тези субекти говорят с всеки други вътрешни атоми (силните и слабите ядрени сили). Научихме, че по прищявка неутронът може един ден да реши да се превърне в протон и в процеса на това да излъчи електрон (някога наречените бета лъчи). Тъй като неутронът се е променил в протон, а броят на протоните определя какъв тип сте, ние почти магически можем да получим елементи, преобразуващи се в други.
Запазете лептоните
За да се случи тази трансформация, неутронът трябва да промени вътрешната си структура, а вътрешната си структура е изградена от по-малки знаци, наречени кварки. По-специално, неутронът има един кварк "нагоре" и два кварка "надолу", докато протонът има обратната страна - единичен кварк "надолу" и двойка кварки "нагоре". Така че, за да променим един вид елемент в друг - и да направим бета радиация по пътя - трябва да прехвърлим един от тези кварки от долу нагоре, а във Вселената има само една сила, която може да направи това: слабата ядрена сила ,
Всъщност това е почти цялата слаба сила, която някога прави: Тя трансформира един вид кварк в друг. Така слабата сила прави своето, низходящият кварк се превръща в нагоре кварк, неутронът се превръща в протон и елемент се променя в друг.
Но физическите реакции са свързани с баланса. Вземете например електрическия заряд. Нека си представим, че започнахме с един неутрон - неутрален, разбира се. В края получаваме протон, който се зарежда положително. Това е не-не и затова трябва да се балансира нещо: отрицателно зареденият електрон.
И има нужда от още един балансиращ акт: общият брой лептони трябва да остане същият. Лептън е просто фантастично име за някои от най-малките частици, като електрони, и фантастичният термин за този балансиращ акт е „запазване на лептоново число“. Както при електрическия заряд, трябва да балансираме началото и края на историята. В този случай започваме с нулеви лептони, но завършваме с един: електронът.
Какво го балансира? В реакцията се създава друга нова частица - антинейтрино, която се отчита като отрицателна, балансираща всичко.
Кой има нужда от неутрино?
Ето обратът: Може да има вид бета разпад, който изобщо не изисква неутрино. Но това не би ли нарушило това най-важно запазване на броя на лептоните? Защо, да, би било и би било страхотно.
Понякога два бета разпада могат да се случат наведнъж, но всъщност това са два редовни бета разпада, случващи се едновременно в един и същ атом, което, макар и рядко, не е всичко толкова интересно, изплювайки два електрона и две антинейтрино. Но има хипотетичен двоен бета-разпад, който не излъчва неутрино. Този вид работи само ако неутрино е собствена античастица, което означава, че неутрино и антинейтрино са точно едно и също нещо. И при сегашното ни ниво на познаване на всички частици, ние честно не знаем дали неутрино се държи по този начин или не.
Малко е трудно да се опише точният вътрешен процес в този така наречен неутрино без двоен бета-разпад, но можете да си представите, че произведените неутрино взаимодействат със себе си, преди да избягат от реакцията. Без неутрино, тази хипотетична реакция произвежда два електрона и нищо друго, следователно нарушава запазването на числото на лептон, което би нарушило познатата физика, което би било много вълнуващо. Следователно ловът е за откриване на нещо подобно, тъй като първата група, която го направи, е гарантирана Нобелова награда. През десетилетията много експерименти са идвали и преминавали с малко късмет, което означава, че ако този процес съществува в природата, той трябва да бъде много, много рядък.
Колко рядко? В неотдавнашен документ екипът, който стои зад Advanced Molibdenum Rare Process Experiment (AMoRE), пусна първите си резултати. Този експеримент търси неутрино бездвоено-бета разпад, използвайки, познахте, много молибден. И познай какво? Точно така, те не видяха разпад. Предвид размера на експеримента им и продължителността на времето, което те записват, те преценяват, че двойно-бета разпадането се случва с период на полуразпад не по-малък от 10 ^ 23 години, което е повече от трилион пъти повече от настоящата възраст на Вселената.
Да, рядко.
Какво означава това? Това означава, че ако искаме да намерим нова физика в тази посока, ще трябва да продължим да копаем и да наблюдаваме още много разпад.
Пол М. Сътър е астрофизик в Държавният университет в Охайо, домакин на Попитайте Космонавт и Космическо радиои автор на Вашето място във Вселената.
