Μετασχηματίζοντας ένα στοιχείο σε άλλο (συνήθως χρυσό, φυσικά) ήταν η ουσία των ορεκτικών ονείρων και των φανταστικών φαντασιώσεων για τους αλχημιστές, πίσω από την ημέρα. Αποδεικνύεται ότι η φύση το κάνει όλη την ώρα χωρίς καμία βοήθεια από εμάς - αν και όχι συνήθως σε χρυσό.
Αυτή η φυσική αλχημεία, που ονομάζεται ραδιενέργεια, συμβαίνει όταν ένα στοιχείο διασπάται και με τον τρόπο αυτό μετασχηματίζεται σε ένα άλλο στοιχείο.
Μελετώντας μερικές από τις σπανιότερες αποσπάσεις, μπορούμε να πάρουμε έναν υπαινιγμό για μερικές από τις πιο θεμελιώδεις φυσικές - φυσική τόσο θεμελιώδεις, μπορεί να είναι πέρα από την τρέχουσα κατανόηση μας.
Μία από αυτές τις αόριστες ραδιενεργές διασπάσεις δεν έχει βρεθεί ποτέ στην πραγματικότητα, αλλά οι φυσικοί είναι Πραγματικά ελπίζοντας να το βρούμε. Ονομάζεται αποσύνθεση διπλής βήτα χωρίς νετρίνο, θα σήμαινε ραδιενεργά στοιχεία να φτύνουν δύο ηλεκτρόνια και τίποτα άλλο (ούτε καν φαινομενικά, χωρίς φορτίο, λίγα σωματίδια που είναι γνωστά ως νετρίνα). Εάν οι φυσικοί καταφέρουν να εντοπίσουν αυτήν την αποσύνθεση στον πραγματικό κόσμο, θα παραβιάζουν έναν από τους θεμελιώδεις κανόνες της φυσικής και θα τροφοδοτούν έναν αγώνα για να βρουν νέους.
Αλλά τα κακά νέα για τους οπαδούς της αποσύνθεσης διπλής βήτα χωρίς νετρίνο: Ένα από τα πιο μακροχρόνια πειράματα δημοσίευσε πρόσφατα αποτελέσματα που δεν δείχνουν κανέναν υπαινιγμό αυτής της διαδικασίας, που σημαίνει ότι εάν αυτή η διαδικασία μονόκερου συμβεί, είναι απίστευτα σπάνια. Και η μόνη απάντηση που έχουμε τώρα είναι να συνεχίσουμε να σκάβουμε κρατώντας τα δάχτυλά μας σταυρωμένα.
Ραδιενεργά υπολείμματα
Για να κατανοήσουμε τη σημασία της αποσύνθεσης διπλής βήτα χωρίς νετρίνο, πρέπει να επιστρέψουμε περισσότερο από έναν αιώνα, στα τέλη του 18ου αιώνα, για να καταλάβουμε τι είναι η ραδιενεργή αποσύνθεση. Ήταν ο επιδέξιος επιδέξιος Ernest Rutherford ο οποίος κατάλαβε ότι υπήρχαν τρία διαφορετικά είδη αποσύνθεσης, τα οποία ονόμαζε άλφα, βήτα και γκάμα (γιατί όχι).
Κάθε μία από αυτές τις αποσυνθέσεις οδήγησε σε ένα διαφορετικό είδος εκπομπής ενέργειας και ο Ράδερφορντ διαπίστωσε ότι οι λεγόμενες "βήτα βήτα" μπορούσαν να ταξιδέψουν αρκετά μέσα από μερικά μεταλλικά φύλλα πριν σταματήσουν. Αργότερα πειράματα αποκάλυψαν τη φύση αυτών των ακτίνων: Ήταν απλά ηλεκτρόνια. Έτσι, μερικά χημικά στοιχεία (για παράδειγμα το καίσιο) μεταμορφώνονταν σε άλλα στοιχεία (ας πούμε, βαρίου), και κατά τη διαδικασία έβγαζαν ηλεκτρόνια. Τι δίνει;
Η απάντηση δεν θα έρθει για άλλες λίγες δεκαετίες, αφού υπολογίσαμε ποια στοιχεία είναι κατασκευασμένα (μικροσκοπικά σωματίδια που ονομάζονται πρωτόνια και νετρόνια), ποια πρωτόνια και νετρόνια είναι κατασκευασμένα (ακόμη και σωματίδια μικρότερου μεγέθους που ονομάζονται κουάρκ) και πώς αυτά τα οντότατα μιλούν σε κάθε άλλα εσωτερικά άτομα (οι ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις). Έμαθα ότι, σε μια ιδιοτροπία, ένα νετρόνιο μπορεί μία μέρα να αποφασίσει να γίνει πρωτόνιο και, στη διαδικασία, εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο (τις μιά φορά ονομαζόμενες βήτα βήτα). Επειδή το νετρόνιο άλλαξε σε ένα πρωτόνιο και ο αριθμός των πρωτονίων καθορίζει το είδος του στοιχείου, μπορούμε σχεδόν να μετατρέψουμε τα στοιχεία σε άλλα.
Αποθηκεύστε τα λεπτόνια
Για να γίνει αυτό το μετασχηματισμό, το νετρόνιο πρέπει να αλλάξει την εσωτερική του δομή και η εσωτερική του δομή αποτελείται από μικρότερους χαρακτήρες που ονομάζονται κουάρκ. Συγκεκριμένα, ένα νετρόνιο έχει ένα κουάρκ "up" και δύο "κάτω" κουάρκ ενώ ένα πρωτόνιο έχει το αντίστροφο - ένα ενιαίο "κάτω" κουάρκ και ένα ζευγάρι "κουάρκ" πάνω ". Επομένως, για να αλλάξουμε ένα είδος στοιχείου σε ένα άλλο - και να κάνουμε βήτα ακτινοβολία, κατά μήκος του δρόμου - πρέπει να αναστρέψουμε ένα από αυτά τα κουάρκ από κάτω προς τα πάνω και υπάρχει μόνο μία δύναμη στο σύμπαν ικανό να συμβεί αυτό: η αδύναμη πυρηνική δύναμη .
Στην πραγματικότητα, αυτό είναι σχεδόν όλη η αδύναμη δύναμη που κάνει ποτέ: Μετατρέπει ένα είδος κουάρκ σε άλλο. Έτσι η αδύναμη δύναμη κάνει το πράγμα της, ένα κάτω κουάρκ γίνεται ένα κουάρκ, ένα νετρόνιο γίνεται πρωτόνιο και ένα στοιχείο αλλάζει σε άλλο.
Αλλά οι φυσικές αντιδράσεις αφορούν την ισορροπία. Πάρτε, για παράδειγμα, το ηλεκτρικό φορτίο. Ας φανταστούμε ότι ξεκινήσαμε με ένα ουδέτερο neutron, φυσικά. Στο τέλος έχουμε ένα πρωτόνιο, το οποίο είναι θετικά φορτισμένο. Αυτό είναι ένα όχι-όχι, και έτσι κάτι πρέπει να το εξισορροπήσει: το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο.
Και υπάρχει μια άλλη πράξη εξισορρόπησης που απαιτείται: ο συνολικός αριθμός των λεπτονίων πρέπει να παραμείνει ο ίδιος. Το Lepton είναι απλώς ένα φανταχτερό όνομα για μερικά από τα μικρότερα σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, και ο φανταχτερός όρος για αυτή την πράξη εξισορρόπησης είναι "η διατήρηση του αριθμού lepton". Όπως και με το ηλεκτρικό φορτίο, πρέπει να σταθμίσουμε την αρχή και το τέλος της ιστορίας. Σε αυτή την περίπτωση, ξεκινάμε με μηδενικά λεπτόνια αλλά τελειώνουμε με ένα: το ηλεκτρόνιο.
Τι το ισορροπεί; Ένα άλλο νέο σωματίδιο δημιουργείται στην αντίδραση, ένα antineutrino, το οποίο μετράει ως αρνητικό, εξισορροπώντας τα πάντα έξω.
Ποιος χρειάζεται ένα νετρίνο;
Εδώ είναι η συστροφή: Μπορεί να υπάρχει ένα είδος φθοράς βήτα που δεν απαιτεί ένα νετρίνο καθόλου. Αλλά δεν θα παραβίαζε αυτή τη σημαντική συντήρηση του αριθμού lepton; Γιατί, ναι, θα ήταν, και θα ήταν τρομερό.
Μερικές φορές δυο αποσπάσεις βήτα μπορούν να συμβούν ταυτόχρονα, αλλά είναι βασικά δύο τακτικές αποσπάσεις βήματος που συμβαίνουν ταυτόχρονα μέσα στο ίδιο άτομο, το οποίο ενώ σπάνιο δεν είναι όλα αυτά ενδιαφέροντα, φτύνουν δύο ηλεκτρόνια και δύο antineutrinos. Υπάρχει όμως μια υποθετική διπλή φθορά βήτα που δεν εκπέμπει νετρίνα. Αυτό το είδος λειτουργεί μόνο εάν το νετρίνο είναι το δικό του αντι-σωματίδιο, πράγμα που σημαίνει ότι το νετρίνο και το antineutrino είναι ακριβώς το ίδιο πράγμα. Και στο σημερινό επίπεδο γνώσης όλων των σωματιδίων, εμείς ειλικρινά δεν γνωρίζουμε αν ο νετρίνο συμπεριφέρεται με αυτόν τον τρόπο ή όχι.
Είναι λίγο δύσκολο να περιγράψουμε την ακριβή εσωτερική διαδικασία σε αυτή τη λεγόμενη αποσύνθεση διπλής βήτα χωρίς νετρίνο, αλλά μπορείτε να φανταστείτε ότι τα παραγόμενα νετρίνα αλληλεπιδρούν με τον εαυτό τους πριν ξεφύγουν από την αντίδραση. Χωρίς νετρίνα, αυτή η υποθετική αντίδραση στροβιλίζει δύο ηλεκτρόνια και τίποτα άλλο, με αποτέλεσμα να παραβιάζεται η συντήρηση του αριθμού lepton, η οποία θα διασπάσει την γνωστή φυσική, πράγμα που θα ήταν πολύ συναρπαστικό. Ως εκ τούτου, το κυνήγι είναι για να ανιχνεύσει κάτι τέτοιο, επειδή η πρώτη ομάδα που το κάνει είναι εγγυημένη ένα βραβείο Νόμπελ. Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών πολλά πειράματα έχουν έρθει και έχουν πάει με λίγη τύχη, πράγμα που σημαίνει ότι αν αυτή η διαδικασία υπάρχει στη φύση, πρέπει να είναι πολύ, πολύ σπάνια.
Πόσο σπάνιο; Σε πρόσφατη εργασία, η ομάδα πίσω από το Advanced Molybdenum Based Rare Process Experiment (AMoRE) κυκλοφόρησε τα πρώτα αποτελέσματα. Αυτό το πείραμα ψάχνει για φθορά διπλής βήτα χωρίς νετρίνο χρησιμοποιώντας, μαντέψατε, πολύ μολυβδαίνιο. Και μάντεψε τι? Είναι σωστό, δεν είδαν φθορές. Δεδομένου του μεγέθους του πειράματός τους και του χρονικού διαστήματος που καταγράφουν, εκτιμούν ότι οι αποσυνθέσεις διπλής βήτα εμφανίζονται με ημιζωή όχι μικρότερη των 10 ^ 23 ετών, που είναι περισσότερο από ένα τρισεκατομμύριο φορές την τρέχουσα ηλικία το σύμπαν.
Ναι, σπάνια.
Τι σημαίνει αυτό? Σημαίνει ότι εάν θέλουμε να βρούμε νέα φυσική προς αυτή την κατεύθυνση, θα πρέπει να συνεχίσουμε να σκάβουμε και να παρακολουθούμε όλο και περισσότερες αποσυνθέσεις.
Paul M. Sutter είναι ένας αστροφυσικός στο Το κρατικό πανεπιστήμιο του Οχάιο, υποδοχής του Ρωτήστε έναν διαστημόπλοιο και Διαστημικό ραδιόφωνο, και συγγραφέας του Η Θέση σας στο Σύμπαν.
