Ühe elemendi teisendamine teiseks (tavaliselt muidugi kuldne) oli päeva jooksul tagasi alkeemikute jaoks palav unenägude ja väljamõeldud kujutluspiltide värk. Selgub, et loodus teeb seda kogu aeg ilma meie abita - ehkki mitte tavaliselt kullaks.
See looduslik alkeemia, mida nimetatakse radioaktiivsuseks, juhtub siis, kui element laguneb ja seejuures muundub teiseks elemendiks.
Uurides mõnda haruldast lagunemist, saame vihje mõne füüsika kõige fundamentaalsema kohta - füüsika on nii fundamentaalne, et see võib lihtsalt meie praegustest arusaamadest kaugemale jõuda.
Ühte neist tabamatutest radioaktiivsetest lagunemistest pole tegelikult kunagi varem nähtud, kuid füüsikud on tõesti lootes seda leida. Neutrinoless topelt-beeta lagunemiseks tähendaks see, et radioaktiivsed elemendid sülitavad välja kaks elektroni ja mitte midagi muud (isegi mitte kummituslikku, laenguta, vaevu seal paiknevaid osakesi, mida nimetatakse neutrinodeks). Kui füüsikutel õnnestub seda lagunemist reaalses maailmas märgata, rikuks see üht füüsika põhireeglit ja õhutaks võidukäiku uute leidmiseks.
Kuid halvad uudised neutriinovaba topelt-beeta lagunemise fännidele: hiljuti avaldatud üks pikaajalisemaid katseid, mis ei viita sellele protsessile, mis tähendab, et kui see ükssarviku protsess toimub, on see uskumatult haruldane. Ja ainus vastus, mis meil praegu on, on kaevamine, pöialt hoides.
Radioaktiivsed jäägid
Neutrinoless topelt-beeta lagunemise tähtsuse mõistmiseks peame minema tagasi rohkem kui sajandi taha, 1800-ndate aastate lõppu, et mõista, mis on radioaktiivne lagunemine. Just eriliselt osav Ernest Rutherford arvas välja, et lagunemisi on kolme erinevat laadi, mida ta nimetas alfa-, beeta- ja gamma (sest miks mitte).
Kõik need lagunemised viisid erinevat tüüpi energia eraldumiseni ja Rutherford leidis, et nn beetakiired võivad enne peatumist läbida mõnda metallilehte üsna palju. Hilisemad katsed paljastasid nende kiirte olemuse: Need olid lihtsalt elektronid. Nii et mõned keemilised elemendid (näiteks tseesium) muundasid end teisteks elementideks (näiteks baariumiks) ja sülitasid nad elektronid välja. Mida annab?
Vastus ei tuleks veel mõne aastakümne pärast, kui oleme välja mõelnud, mis elementidest (pisikesed osakesed, mida nimetatakse prootoniteks ja neutroniteks), millest prootonid ja neutronid on valmistatud (isegi peenemad osakesed, mida nimetatakse kvarkideks) ja kuidas need entiteedid omavahel räägivad muud aatomite sees (tugevad ja nõrgad tuumajõud). Saime teada, et kapriisil võib neutron ühel päeval otsustada saada prootoniks ja eraldada selles protsessis elektroni (kunagi nimetatud beetakiired). Kuna neutron muutus prootoniks ja prootonite arv määrab, milline element te olete, võime peaaegu võluväel saada elemente, mis muutuvad teisteks.
Salvestage leptonid
Selle transformatsiooni toimumiseks peab neutron muutma oma sisemist struktuuri ja selle sisemine struktuur on tehtud väiksematest märkidest, mida nimetatakse kvarkideks. Täpsemalt, neutronil on üks "üles" ja kaks "alla" kvarki, samas kui prootonil on vastupidine - üks "alla" ja paar "üles" kvarke. Nii et ühe elemendi muutmiseks teiseks - ja kogu aeg beetakiirguse tekitamiseks - peame libisema ühe neist kvarkadest alt üles ja universumis on ainult üks jõud, mis seda teha suudab: nõrk tuumajõud .
Tegelikult on see peaaegu kõik nõrk jõud, mis ta kunagi teeb: See muudab ühe kvargi teiseks. Nõnda teeb nõrk jõud oma asja, allapoole kvargist saab üles kvark, neutronist saab prooton ja element muutub teiseks.
Kuid füüsiliste reaktsioonide eesmärk on tasakaal. Võtame näiteks elektrilaengu. Kujutame ette, et alustasime ühe neutroniga - muidugi neutraalsega. Lõpus saame prootoni, mis on positiivselt laetud. See on ei-ei ja seetõttu tuleb midagi tasakaalustada: negatiivselt laetud elektron.
Vaja on veel ühte tasakaalustavat toimingut: leptonite koguarv peab jääma samaks. Lepton on lihtsalt kõige peenemate osakeste, näiteks elektronide, väljamõeldud nimi ja selle tasakaalustava akti väljamõeldud termin on "leptoni arvu säilitamine". Nagu elektrilaengu puhul, peame ka loo alguse ja lõpu tasakaalustama. Sel juhul alustame nulliga leptonitest, kuid lõpetame ühega: elektron.
Mis seda tasakaalustab? Reaktsioonis luuakse veel üks uus osake - antineutrino, mis loetakse negatiivseks, tasakaalustades kõik välja.
Kes vajab neutriino?
Siin on keerd: Võib olla mingi beeta lagunemine, mis ei vaja üldse neutriino. Kuid kas see ei rikuks seda ülitähtsat leptonumbri kaitset? Miks, jah, see oleks, ja see oleks fantastiline.
Mõnikord võib juhtuda kaks beeta lagunemist korraga, kuid põhimõtteliselt on kaks regulaarset beeta lagunemist, mis toimuvad ühe ja sama aatomi piires samaaegselt, mis pole kuigi harva nii huvitav, sülitades välja kaks elektroni ja kaks antineutrino. Kuid seal on hüpoteetiline topelt beeta lagunemine, mis ei eralda neutriine. Selline liik töötab ainult siis, kui neutriino on oma osakestevastane aine, mis tähendab, et neutriino ja antineutrino on täpselt samad asjad. Ja praeguse teadmiste tasemel kõigi osakeste kohta ei tea me ausalt, kas neutriino käitub sedasi või mitte.
Selle niinimetatud neutriinovaba topelt-beeta lagunemise täpset sisemist protsessi on pisut raske kirjeldada, kuid võite ette kujutada, et toodetud neutriinoid interakteeruvad enne reaktsioonist pääsemist. Ilma neutrinodeta väntab see hüpoteetiline reaktsioon välja kaks elektroni ja mitte midagi muud, rikkudes sellega leptoniarvu säilimist, mis rikuks teadaolevat füüsikat, mis oleks väga põnev. Jaht on seega midagi sellist tuvastada, sest esimesele grupile, kes seda teeb, on tagatud Nobeli preemia. Aastakümnete jooksul on palju katseid tulnud ja läinud vähese õnnega, mis tähendab, et kui see protsess looduses eksisteerib, peab see olema väga-väga haruldane.
Kui haruldane? Ühes hiljutises artiklis avaldas Advanced Molübdeenil põhineva haruldaste protsesside eksperimendi (AMoRE) meeskond oma esimesed tulemused. Selles katses otsitakse neutriinovaba topelt-beeta lagunemist, kasutades arvate palju molübdeeni. Ja arva ära mis? Täpselt nii, nad ei näinud mingeid lagunemisi. Arvestades eksperimendi mahtu ja salvestatud aega, arvavad nad, et topelt-beeta lagunemine toimub poolväärtusajaga vähemalt 10–23 aastat, mis on rohkem kui triljon korda suurem praegusest vanusest. universum.
Jah, harva.
Mida see tähendab? See tähendab, et kui tahame leida selles suunas uut füüsikat, peame kaevama ja jälgima veel palju kõdunemisi.
Paul M. Sutter on astrofüüsik juures Ohio Riiklik Ülikool, host Küsi kosmosemehelt ja Kosmoseraadio, ja artikli autor Sinu koht universumis.
