Mentransmisikan satu elemen ke dalam yang lain (biasanya emas, tentu saja) adalah perkara impian yang demam dan imaginasi yang luar biasa untuk alkimia cara kembali pada hari itu. Ternyata alam semulajadi melakukannya sepanjang masa tanpa bantuan dari kami - walaupun tidak biasanya menjadi emas.
Alkimia semulajadi ini, yang dipanggil radioaktiviti, berlaku apabila unsur mereput dan dalam berbuat demikian berubah menjadi elemen lain.
Dengan mengkaji beberapa pelepasan yang paling jarang, kita boleh mendapatkan sedikit daripada beberapa asas fizik - fizik yang sangat asas, ia mungkin hanya di luar pemahaman kita sekarang.
Salah satu pemecahan radioaktif yang sukar difahami tidak pernah dilihat, tetapi ahli fizik benar-benar berharap dapat mencarinya. Dipanggil neutrinoless kerosakan beta dua kali, ini bermakna unsur radioaktif meludahkan dua elektron dan tidak ada yang lain (walaupun tidak berbentuk hantu, tidak bersahaja, hampir tidak ada zat neutrino). Sekiranya ahli fizik berjaya mengesan kerosakan ini di dunia nyata, ia akan melanggar salah satu kaedah asas fizik dan memacu perlumbaan untuk mencari yang baru.
Tetapi berita buruk untuk penggemar neutrinoless kerosakan beta dua kali: Salah satu eksperimen terpanjang yang baru-baru ini menerbitkan hasil yang menunjukkan tiada petunjuk proses ini, yang bermaksud bahawa jika proses unicorn ini berlaku, ia sangat jarang berlaku. Dan satu-satunya jawapan yang kita ada sekarang adalah untuk terus menggali, menjaga jari-jari kita menyeberang.
Sisa radioaktif
Untuk memahami pentingnya neutrinoless kerosakan beta dua kali, kita perlu kembali lebih dari satu abad, hingga akhir 1800-an, untuk memahami apa kerosakan radioaktif di tempat pertama. Ia adalah seorang pakar Ernest Rutherford yang pandai mengetahui bahawa terdapat tiga jenis pelunturan yang dipanggil alpha, beta dan gamma (sebab mengapa tidak).
Setiap penghancuran ini membawa kepada pembebasan tenaga yang berlainan, dan Rutherford mendapati bahawa apa yang dipanggil "beta sinaran" dapat melakukan perjalanan melalui beberapa lembaran logam sebelum berhenti. Percubaan kemudian mendedahkan sifat sinar ini: Mereka hanya elektron. Oleh itu, beberapa unsur kimia (katakan, cesium) telah mengubah dirinya menjadi elemen lain (katakan, barium), dan dalam proses mereka meludahkan elektron. Apa yang memberi?
Jawapannya tidak akan datang selama beberapa dekad lagi, setelah kita mengetahui unsur-unsur apa yang dibuat (zarah-zarah kecil yang disebut proton dan neutron), apa proton dan neutron terbuat dari (bahkan zarah-zarah yang lebih kecil disebut kuark) dan bagaimana entitas ini bercakap dengan masing-masing atom dalam yang lain (kuasa nuklear yang kuat dan lemah). Kami sedar bahawa, sesuka hati, neutron boleh satu hari membuat keputusan untuk menjadi proton dan, dalam proses itu, memancarkan elektron (sinaran beta sekali-bernama). Kerana neutron berubah menjadi proton, dan bilangan proton menentukan jenis elemen anda, kita hampir boleh secara ajaib mendapatkan elemen yang berubah menjadi orang lain.
Simpan lepton
Untuk menjadikan transformasi ini berlaku, neutron perlu mengubah struktur dalamannya, dan struktur dalamannya dibuat dengan aksara yang lebih kecil yang disebut kuark. Khususnya, neutron mempunyai kuark "up" dan dua "bawah" kuark manakala proton mempunyai sebaliknya - quark tunggal "bawah" dan quark "up" tunggal. Jadi, untuk mengubah satu jenis unsur ke dalam yang lain - dan membuat sinaran beta, di sepanjang jalan - kita perlu flip salah satu kuark ini dari bawah ke atas, dan hanya ada satu kuasa di alam semesta yang mampu membuatnya berlaku: .
Malah, itu hampir semua kekuatan lemah yang pernah dilakukan: Ia mengubah satu jenis quark ke yang lain. Oleh itu, kekuatan lemah melakukan perkara itu, quark down menjadi kuark, neutron menjadi proton, dan elemen berubah menjadi yang lain.
Tetapi tindak balas fizikal adalah kira-kira kira-kira. Ambil, sebagai contoh, caj elektrik. Mari kita bayangkan kita bermula dengan neutron tunggal - neutral, tentu saja. Pada akhirnya kami mendapat proton, yang dikenakan secara positif. Itulah no-no, dan sebagainya perlu menyeimbangkannya: elektron bermuatan negatif.
Dan ada tindakan penyeimbang yang diperlukan: jumlah lepton mesti tetap sama. Lepton hanyalah nama yang mewah untuk beberapa zarah terkecil, seperti elektron, dan istilah mewah untuk tindakan pengimbangan ini adalah "pemuliharaan nombor lepton." Seperti dengan caj elektrik, kita perlu mengimbangi permulaan dan akhir cerita. Dalam kes ini, kita mulakan dengan lepuh sifar tetapi berakhir dengan satu: elektron.
Apa yang mengimbanginya? Satu lagi zarah baru dibuat dalam tindak balas, antineutrino, yang dianggap sebagai negatif, mengimbangi segala-galanya.
Siapa yang memerlukan neutrino?
Inilah twist: Mungkin terdapat jenis kerosakan beta yang tidak memerlukan neutrino sama sekali. Tetapi tidakkah itu melanggar pelepasan nombor lepton penting ini? Kenapa, ya, ia akan, dan ia akan menjadi hebat.
Kadang-kadang dua penghancur beta boleh berlaku sekaligus, tetapi pada dasarnya dua penghabluran beta tetap berlaku secara serentak dalam atom yang sama, yang jarang sekali tidak menarik, meludahkan dua elektron dan dua antineutrinos. Tetapi ada penghuraian beta dua hipotesis yang tidak mengeluarkan neutrino. Jenis ini hanya berfungsi jika neutrino adalah antipartikelnya sendiri, yang bermaksud bahawa neutrino dan antineutrino adalah perkara yang sama. Dan pada pengetahuan semasa kita tentang zarah segala sesuatu, kita jujur tidak tahu sama ada neutrino bertindak seperti ini atau tidak.
Ia agak sukar untuk menerangkan proses dalaman yang tepat dalam kerosakan beta-neutrinoless yang dipanggil ini, tetapi anda boleh membayangkan neutrinos yang dihasilkan berinteraksi dengan diri mereka sebelum melepaskan tindak balas. Dengan tiada neutrino, reaksi hipotesis ini menyingkirkan dua elektron dan tidak ada yang lain, dengan itu melanggar pemuliharaan nombor lepton, yang akan memecahkan fizik yang diketahui, yang akan menjadi sangat menarik. Oleh itu, memburu untuk mengesan sesuatu seperti ini, kerana kumpulan pertama yang melakukannya dijamin Hadiah Nobel. Selama beberapa dekad banyak eksperimen telah datang dan pergi dengan sedikit nasib, yang bermakna jika proses ini wujud dalam alam semestinya ia sangat, sangat jarang berlaku.
Bagaimana jarang? Dalam makalah baru-baru ini, pasukan di sebalik Eksperimen Proses Rare yang berasaskan Advanced Molibdenum (AMoRE) melancarkan hasil pertama mereka. Eksperimen ini mencari neutrinoless pelarut beta dua kali, anda meneka, banyak molibdenum. Dan rasa apa? Betul, mereka tidak melihat apa-apa peluruhan. Memandangkan saiz percubaan mereka dan tempoh masa yang mereka rakam, mereka menganggarkan bahawa pelunturan beta dua kali berlaku dengan separuh hayat tidak kurang daripada 10 ^ 23 tahun, yang lebih daripada satu trilion kali umur semasa Alam semesta.
Ya, jarang.
Apa maksudnya? Ini bermakna jika kita ingin mencari fizik baru ke arah ini, kita mesti terus menggali dan terus memerhati lebih banyak pelunturan.
Paul M. Sutter adalah ahli astrofizik di The Ohio State University, tuan rumah Tanya Spaceman dan Radio Angkasa, dan pengarang Tempat Anda di Semesta.
