Yhden elementin muuttaminen toiseksi (yleensä tietysti kulta) oli alkemistien palavien unien ja mielikuvituksellisten mielikuvitusten takaosa päivässä. Osoittautuu, että luonto tekee sen jatkuvasti ilman meiltä apua - tosin yleensä ei kulta.
Tämä luonnollinen alkemia, jota kutsutaan radioaktiivisuudeksi, tapahtuu, kun elementti rapistuu ja muuttuessaan toiseksi alkuaineeksi.
Tutkimalla joitain harvinaisimmista rappeutumisista, voimme saada vihjeen fysiikan perustavanlaatuisimmista - fysiikka niin perustavanlaatuinen, että se saattaa olla vain nykyisen käsityksemme ulkopuolella.
Yhtä näistä vaikeista radioaktiivisista hajoamista ei ole koskaan todellisuudessa nähty, mutta fyysikot ovat Todella toivoen löytävänsä sen. Kutsutaan neutriinoittomaksi kaksois-beeta-hajoamiseksi, se tarkoittaisi, että radioaktiiviset elementit sylkisivät kaksi elektronia eikä mitään muuta (ei edes aavemaisia, varaamattomia, tuskin siellä olevia hiukkasia, joita kutsutaan neutrinoiksi). Jos fyysikot pystyvät havaitsemaan tämän rappeutumisen todellisessa maailmassa, se loukkaa yhtä fysiikan perussääntöjä ja ruokkii kilpailua löytää uusia.
Mutta huonoja uutisia neutriinoittumattoman kaksois-beeta-rappeutumisen faneille: Yksi pisin kokeiltu kokeilu äskettäin julkaistut tulokset, joista ei ole saatu viitteitä tästä prosessista, mikä tarkoittaa, että jos tämä yksisarvinen prosessi tapahtuu, se on uskomattoman harvinainen. Ja ainoa vastaus, joka meillä on tällä hetkellä, on jatkaa kaivamista pitämällä sormemme ristissä.
Radioaktiiviset jäännökset
Ymmärtääksemme neutriinoittoman kaksois-beeta-hajoamisen tärkeyden, meidän on palattava yli vuosisadan taaksepäin 1800-luvun loppupuolelle ymmärtääksemme, mikä radioaktiivinen hajoaminen on ensisijaisesti. Erikoisesti taitava Ernest Rutherford tajusi, että hajoamisia oli kolme eri tyyppiä, joita hän kutsui alfaksi, beetaksi ja gammaksi (koska miksi ei).
Jokainen näistä rappeutumisista johti erilaiseen energian päästöön, ja Rutherford havaitsi, että ns. "Beeta-säteet" voivat kulkea melko paljon tiensä joidenkin metallilevyjen läpi ennen pysähtymistä. Myöhemmät kokeet paljastivat näiden säteiden luonteen: Ne olivat vain elektroneja. Joten jotkut kemialliset elementit (esimerkiksi cesium) muuttuivat itsensä muiksi elementeiksi (esimerkiksi bariumiksi), ja prosessissa he sylkisivät elektroneja. Mikä antaa?
Vastausta ei tulisi vielä muutaman vuosikymmenen ajan, kun olemme selvittäneet, mistä elementeistä (pienistä hiukkasista, joita kutsutaan protoneiksi ja neutroneiksi), mistä protoneista ja neutroneista tehdään (jopa pienempiä partikkeleita kutsutaan kvarkeiksi) ja kuinka nämä entiteetit puhuvat keskenään muut atomien sisällä (vahvat ja heikot ydinvoimat). Opimme, että neutronista voi jonkin verran päättää päättää tulla protoniksi ja prosessissa emittoida elektronin (kerran nimeltään beeta-säteet). Koska neutroni muuttui protoniksi ja protonien lukumäärä määrittelee millainen elementti olet, voimme melkein taianomaisesti saada elementtejä muuttumaan muiksi.
Tallenna leptonit
Jotta tämä muutos tapahtuisi, neutronin on muutettava sisäistä rakennettaan, ja sen sisäinen rakenne on tehty pienemmistä merkkeistä, joita kutsutaan kvarkeiksi. Erityisesti neutronilla on yksi "ylös" kvarkki ja kaksi "alas" kvarkkia, kun taas protonilla on käänteinen - yksi "alas" kvarkki ja pari "ylös" kvarkeja. Joten vaihtaa yhden tyyppinen elementti toiseksi - ja tehdä beeta-säteilyä matkan varrella - meidän on käännettävä yksi näistä kvarkeista alhaalta ylöspäin, ja universumissa on vain yksi voima, joka kykenee saamaan aikaan tämän: heikko ydinvoima .
Itse asiassa se on melko paljon mitä heikko voima koskaan tekee: Se muuntaa yhden tyyppisen kvarkin toiseksi. Joten heikko voima tekee asiat, alaspäin kvarkeista tulee ylös kvarkeja, neutroneista tulee protoneja ja elementti muuttuu toiseksi.
Mutta fyysiset reaktiot ovat kaikki tasapainosta. Otetaan esimerkiksi sähkövaraus. Kuvittelemme, että aloitimme yhdellä neutronilla - tietenkin neutraalilla. Lopussa saamme protonin, joka on positiivisesti varautunut. Se on ei-ei, joten jotain täytyy tasapainottaa se: negatiivisesti varautunut elektroni.
Ja tarvitaan vielä yksi tasapainottava toimenpide: leptonien kokonaismäärän on pysyttävä samana. Lepton on vain hieno nimi joillekin pienimmille hiukkasille, kuten elektroneille, ja tämän tasapainotustoimenpiteen hieno termi on "leptonimäärän säilyttäminen". Kuten sähkövaraus, meidän on tasapainotettava tarinan alku ja loppu. Tässä tapauksessa aloitamme nollasta leptoneilla, mutta päätämme yhdellä: elektronilla.
Mikä tasapainottaa sitä? Toinen uusi hiukkanen syntyy reaktiossa, antineutrino, joka lasketaan negatiiviseksi ja tasapainottaa kaiken.
Kuka tarvitsee neutriinoa?
Tässä on kierre: Voi olla jonkinlainen beetahajoaminen, joka ei vaadi neutriinoa ollenkaan. Mutta eikö se loukkaa tätä tärkeätä leptoninumeroiden säilyttämistä? Miksi, kyllä, se olisi, ja se olisi mahtavaa.
Joskus kaksi beetahajoamista voi tapahtua kerralla, mutta se on pohjimmiltaan kahta säännöllistä beetahajoamista, jotka tapahtuvat saman atomin sisällä samanaikaisesti, mikä on harvinaista, mutta ei niin mielenkiintoista, että se sylkee kaksi elektronia ja kaksi antineutrinoa. Mutta on olemassa hypoteettinen kaksois beetahajoaminen, joka ei emittoi neutriinoja. Tämä tyyppi toimii vain, jos neutriino on sen oma hiukkasten vastainen, mikä tarkoittaa, että neutriino ja antineutrino ovat täsmälleen sama asia. Ja nykyisellä tietomme tasolla kaikista hiukkasista, emme rehellisesti tiedä, käyttäytyykö neutriino tällä tavalla vai ei.
On hiukan vaikea kuvailla tarkkaa sisäistä prosessia tässä ns. Neutriinoittomassa kaksois-beeta-hajoamisessa, mutta voit kuvitella tuotettujen neutriinojen olevan vuorovaikutuksessa itsensä kanssa ennen reaktion karkaamista. Ilman neutriinoja tämä hypoteettinen reaktio pyörittää kaksi elektronia eikä mitään muuta, mikä rikkoo leptonin lukumäärän säilymistä, mikä rikkoisi tunnettua fysiikkaa, mikä olisi hyvin jännittävää. Metsästys siis havaitsee jotain tällaista, koska ensimmäiselle ryhmälle, jolla se tehdään, taataan Nobel-palkinto. Vuosikymmenien aikana on tehty monia kokeiluja pienellä onnellisuudella, mikä tarkoittaa, että jos tämä prosessi esiintyy luonnossa, sen on oltava hyvin, hyvin harvinaista.
Kuinka harvinaista? Äskettäisessä lehdessä Advanced Molybdenum -pohjaisen harvinaisen prosessikokeilun (AMoRE) takana oleva tiimi julkaisi ensimmäiset tuloksensa. Tämä kokeilu etsii neutriinoittumatonta kaksois-beeta-hajoamista käyttämällä arvasit paljon molybdeenia. Ja arvaa mitä? Aivan totta, he eivät nähneet rappeutumisia. Heidän kokeilunsa koon ja tallentaman ajanjakson perusteella he arvioivat, että kaksois-beeta-hajoamiset tapahtuvat puoliintumisajan ollessa vähintään 10 ^ 23 vuotta, mikä on enemmän kuin biljoona kertaa nykyinen ikä. universumi.
Kyllä, harvinainen.
Mitä tuo tarkoittaa? Se tarkoittaa, että jos haluamme löytää uutta fysiikkaa tähän suuntaan, joudumme jatkamaan kaivamista ja tarkkailemaan paljon enemmän rappeutumisia.
Paul M. Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopisto, isäntä Kysy avaruusasemalta ja Avaruusradio, ja kirjoittaja Paikkasi maailmankaikkeudessa.
