Az egyik elemnek a másikba történő átvitele (általában természetesen arany) természetesen a lázas álmok és az alkimisták fantáziadús fantáziáinak a dolgai voltak a nap folyamán. Kiderül, hogy a természet folyamatosan csinál minket bármiféle segítség nélkül - bár általában nem aranyba.
Ez a radioaktivitásnak nevezett természetes alkímia akkor fordul elő, amikor egy elem bomlik, és ezzel egy másik elemré alakul.
A legritkább hanyatlás tanulmányozásával kaphatunk néhány tippet a fizika legalapvetőbb képeiről - a fizika annyira alapvető fontosságú, hogy valószínűleg túlmutat a jelenlegi megértésünkön.
Az egyik ilyen megkísérelt radioaktív bomlás valójában soha nem volt látva, de a fizikusok igazán remélve, hogy megtalálja. Neutrinoless kettős béta-bomlásnak nevezzük azt, hogy a radioaktív elemek két elektronot kibontanak, és semmi mást (még csak kísérteties, töltötlen, alig ott levő részecskéket is, amelyek neutrinók néven ismertek). Ha a fizikusoknak sikerül észrevenniük ezt a hanyatlást a való világban, akkor megsértené a fizika egyik alapvető szabályát, és felkínálná a versenyt, hogy újokat találjon.
De rossz hír a neutrinoless kettős-béta-bomlás rajongói számára: A leghosszabb ideje zajló kísérletek a közelmúltban közzétett eredmények nem mutatnak semmilyen utalást erre a folyamatra, ami azt jelenti, hogy ha ez az egyszarvú folyamat megtörténik, hihetetlenül ritka. És jelenleg csak az a válasz, hogy ásni kell, miközben ujjainkat keresztezzük.
Radioaktív maradványok
A semleges béta-bomlás fontosságának megértéséhez több mint egy évszázaddal vissza kell mennünk az 1800-as évek végére, hogy megértsük, mi a radioaktív bomlás. Az egyedülállóan ügyes Ernest Rutherford rájött, hogy háromféle bomlás létezik, amelyeket alfa-, béta- és gamma-nak hívott (mert miért nem).
Ezeknek a bomlásoknak másfajta energiakibocsátása vezetett, és Rutherford úgy találta, hogy az úgynevezett "béta-sugarak" jó úton haladhatnak át néhány fémlemezen, mielőtt megállnának. Későbbi kísérletek felfedték a sugárzás természetét: Csak elektronok. Tehát egyes kémiai elemek (mondjuk a cézium) átalakultak más elemekké (mondjuk bárium), és a folyamat során elektronokat robbantottak ki. Mi ad?
A válasz még néhány évtizeden belül nem jönne, miután kitaláltuk, hogy melyek az elemek (protonoknak és neutronoknak nevezett apró részecskék), miből készülnek protonok és neutronok (még kicsibb részecskéknek nevezett kvarkok), és hogy ezek az entitások hogyan beszélnek egymással más atomokon belüli atomok (az erős és gyenge nukleáris erők). Megtudtuk, hogy egy szeszély miatt egy neutron egy napon protonmá válhat, és a folyamat során elektronot bocsát ki (az egykori nevű béta-sugarak). Mivel a neutron protonmá változott, és a protonok száma meghatározza, hogy milyen típusú elem vagy, szinte varázslatosan megkaphatjuk az elemeket másokká alakulóvá.
Mentse a leptonekat
Annak érdekében, hogy ez a transzformáció megtörténjen, a neutronnak meg kell változtatnia belső szerkezetét, belső szerkezete kisebb karakterekből áll, úgynevezett kvarkok. Különösen egy neutronnak van egy "fel" és két "le" kvarkja, míg a protonnak fordítottja van - egy "le" kvark és egy pár "fel" kvark. Tehát az egyik fajta elem másikra cseréjéhez - és a béta-sugárzás elkészítéséhez - az egyik ilyen kvarkot lefelé felfelé kell fordítanunk, és az univerzumban csak egy olyan erõ van, amely képes megtenni: a gyenge nukleáris erõ .
Valójában ez nagyjából az a gyenge erő, amelyet valaha csinál: Egyfajta kvarkot alakít át egy másikká. Tehát a gyenge erő elvégzi a dolgát, a lefelé irányuló kvark felfelé kvarkká, a neutron protonvá válik, és egy elem másikrá változik.
De a fizikai reakciók az egyensúlyról szólnak. Vegyük például az elektromos töltést. Képzeljük el, hogy egyetlen neutronnal kezdtük - természetesen semleges. Végül kapunk egy protont, amely pozitív töltésű. Ez nem-nem, és így valamit ki kell egyensúlyozni: a negatív töltésű elektron.
És van még egy kiegyensúlyozó intézkedés: a leptonok számának azonosnak kell maradnia. A Lepton csak a legfinomabb név néhány legcsekélyebb részecskének, például az elektronoknak, és ennek a kiegyensúlyozó cselekménynek a képzeletbeli kifejezése a "leptonszám megőrzése". Az elektromos töltéshez hasonlóan egyensúlyba kell hoznunk a történet elejét és végét. Ebben az esetben nulla leptonnal kezdjük, de az egyikvel végződik: az elektron.
Mi kiegyensúlyozza? A reakcióban újabb új részecske jön létre, az antineutrino, amely negatívnak számít, mindent kiegyensúlyozva.
Kinek van szüksége neutrínóra?
Itt van a csavar: Lehet egyfajta béta-bomlás, amelyre egyáltalán nincs szükség neutrínóra. De nem sértené meg ezt a rendkívül fontos leptonszám-megőrzést? Miért, igen, az lenne, és fantasztikus lenne.
Időnként két béta-bomlás fordulhat elő egyszerre, de alapvetően két szabályos béta-bomlás történik egyszerre ugyanazon atomon belül, ami, bár ritka, nem annyira érdekes, két elektronot és két antineutrinót köptet ki. De van egy hipotetikus kettős béta-bomlás, amely nem bocsát ki semmit sem. Ez a fajta csak akkor működik, ha a neutrino a saját részecske-ellenes része, ami azt jelenti, hogy a neutrino és az antineutrino pontosan ugyanaz. És az összes részecske jelenlegi ismeretének szintjén őszintén nem tudjuk, hogy a neutrinó így viselkedik-e vagy sem.
Kicsit nehéz leírni a pontos belső folyamatot ebben az úgynevezett neutrinoless kettős béta-bomlásban, de el lehet képzelni, hogy a keletkező neutrinók kölcsönhatásba lépnek önmagukkal, mielőtt elmenekülnének a reakcióból. Semleges neutrínók nélkül ez a hipotetikus reakció két elektronot kicsavar, és semmi mást, ezzel megsértve a leptonszám megóvását, ami megtörné az ismert fizikát, ami nagyon izgalmas lenne. Ennélfogva a vadászat valami hasonló felfedezésére készül, mivel az első csoport, aki ezt csinálja, garantáltan Nobel-díjat nyer. Az évtizedek során sok kísérlet jött és ment kevés szerencsével, ami azt jelenti, hogy ha ez a folyamat létezik a természetben, akkor nagyon-nagyon ritkának kell lennie.
Mennyire ritka? Egy nemrégiben írt cikkben az Advanced Molybdenum alapú ritka folyamatkísérlet (AMoRE) mögött álló csapat kiadta első eredményeit. Ez a kísérlet a neutrino nélküli kettős-béta-bomlást keresi, ahogyan azt gondoltad, sok molibdén felhasználásával. És képzeld csak? Így van, nem láttak elbomlást. Figyelembe véve a kísérlet méretét és a felvételük időtartamát, becsléseik szerint a kettős béta-bomlás legalább 10 ^ 23 év felezési idővel fordul elő, amely több mint trilliószorosa a jelenlegi életkorának. az Univerzum.
Igen, ritka.
Az mit jelent? Ez azt jelenti, hogy ha új fizikát akarunk találni ebbe az irányba, akkor tovább kell ásnunk, és még sok más zavart kell figyelnünk.
Paul M. Sutter asztrofizikus a Az Ohio Állami Egyetem, házigazda Kérdezz egy űrhajóstól és Space Radio, és a Helyed az univerzumban.
