Vieno elemento pavertimas kitu (paprastai, žinoma, auksu) buvo dienos bėgyje aptemdytų svajonių ir fantazijų vaizduotė. Pasirodo, gamta tai daro visą laiką be jokios mūsų pagalbos - nors paprastai ne į auksą.
Ši natūrali alchemija, vadinama radioaktyvumu, įvyksta, kai elementas suyra ir tai darydamas virsta kitu elementu.
Tyrinėdami kai kuriuos rečiausius skilimus, galime gauti užuominą apie pačius svarbiausius fizikos dalykus - fiziką, tokią pamatinę, kad ji gali būti tik anapus mūsų supratimo.
Vienas iš šių nemandagių radioaktyviųjų skilimų niekada nebuvo matytas, bet fizikai yra tikrai tikėdamasis jį rasti. Vadinamas neutrininiu dvigubos beta irimo reiškiniu, tai reikštų, kad radioaktyvūs elementai išspjauna du elektronus ir nieko daugiau (net ne vaiduokliškas, be įkrovos, vos turinčias daleles, žinomas kaip neutrinai). Jei fizikams pavyktų pastebėti šį nuosmukį realiame pasaulyje, tai pažeistų vieną iš pagrindinių fizikos taisyklių ir paskatins lenktynes ieškoti naujų.
Tačiau blogos žinios neutrininio dvigubo beta irimo gerbėjams: Vienas iš ilgiausiai trukusių eksperimentų, neseniai paskelbtų rezultatų, parodantis šį procesą jokios užuominos, reiškia, kad jei šis vienaragio procesas įvyks, jis yra neįtikėtinai retas. Ir vienintelis atsakymas, kurį šiuo metu turime, yra kasti toliau, pirštais sukryžiuoti.
Radioaktyviosios liekanos
Norėdami suprasti neutrino dvigubo beta irimo svarbą, turime daugiau nei šimtmetį grįžti į 1800-ųjų pabaigą, kad suprastume, kas pirmiausia yra radioaktyvusis skilimas. Būtent išskirtinai sumanus Ernestas Rutherfordas suprato, kad yra trys skirtingos skilimo rūšys, kurias jis pavadino alfa, beta ir gama (nes kodėl gi ne).
Kiekvienas iš šių skilimų lėmė skirtingą energijos išsiskyrimą, ir Rutherfordas nustatė, kad vadinamieji „beta spinduliai“ prieš sustotį gali gana daug nukeliauti pro kai kuriuos metalo lakštus. Vėliau atlikti eksperimentai atskleidė šių spindulių prigimtį: Jie buvo tik elektronai. Taigi kai kurie cheminiai elementai (tarkime, cezis) transformavosi į kitus elementus (tarkime, barį) ir proceso metu jie išspyrė elektronus. Ką duoda?
Atsakymas nebus pateiktas dar kelis dešimtmečius, po to, kai išsiaiškinome, iš kokių elementų yra pagamintos (mažos dalelės, vadinamos protonais ir neutronais), kokie yra protonai ir neutronai (dar smulkesnės dalelės, vadinamos kvarkais) ir kaip šie subjektai kalbasi su kiekvienu kiti atomų viduje (stiprios ir silpnos branduolinės jėgos). Sužinojome, kad dėl užgaidos neutronas vieną dieną gali nuspręsti tapti protonu ir proceso metu spinduliuoti elektroną (kadaise vadintus beta spindulius). Kadangi neutronas pasikeitė į protoną, o protonų skaičius lemia, koks tu esi elementas, mes beveik stebuklingai galime gauti elementus, transformuojančius į kitus.
Išsaugokite leptonus
Kad ši transformacija įvyktų, neutronas turi pakeisti savo vidinę struktūrą, o jo vidinė struktūra yra pagaminta iš mažesnių ženklų, vadinamų kvarkais. Visų pirma, neutronas turi vieną kvarką „aukštyn“ ir du „žemyn“, o protonas turi atvirkštinį - vieną kvarką „žemyn“ ir kvarkus „aukštyn“. Taigi, norėdami pakeisti vienos rūšies elementą kitu ir padaryti beta spinduliuotę, kartu turime apversti vieną iš šių kvarkų iš apačios į viršų, ir visatoje yra tik viena jėga, galinti tai padaryti: silpna branduolinė jėga .
Tiesą sakant, tai beveik visa silpnoji jėga, kurią kada nors daro: Tai vienos rūšies kvarką paverčia kitu. Taigi silpna jėga daro savo dalyką, kvarkas žemyn tampa kvarku aukštyn, neutronas tampa protonu, o elementas keičiasi į kitą.
Bet fizinės reakcijos yra susijusios su pusiausvyra. Paimkite, pavyzdžiui, elektros krūvį. Įsivaizduokime, kad pradėjome nuo vieno neutrono - žinoma, neutralaus. Pabaigoje gauname protoną, kuris yra teigiamai įkrautas. Tai ne-ne, taigi reikia kažkokio balanso: neigiamai įkrautas elektronas.
Ir reikia dar vieno balansavimo veiksmo: bendras leptonų skaičius turi likti tas pats. Leptonas yra tik išgalvotas kai kurių mažiausių dalelių, tokių kaip elektronai, vardas, o šio balansavimo akto išgalvotas terminas yra „leptono skaičiaus išsaugojimas“. Kaip ir elektros krūvis, turime subalansuoti pasakojimo pradžią ir pabaigą. Šiuo atveju mes pradedame nuo nulio leptonų, bet pasibaigia vienu: elektronu.
Kas tai balansuoja? Reakcijos metu sukuriama dar viena nauja dalelė - antineutrinas, kuris skaičiuojamas kaip neigiamas ir viską subalansuoja.
Kam reikalingas neutrinas?
Čia yra posūkis: Gali būti tam tikras beta irimas, kuriam visai nereikalingas neutrinas. Bet ar tai nepažeis šio visiems svarbaus leptonų skaičiaus išsaugojimo? Kodėl taip, tai būtų, ir tai būtų nuostabu.
Kartais gali įvykti du beta beta gedimai iš karto, tačiau iš esmės tai yra du reguliarūs beta skilimai, vykstantys vienu metu tame pačiame atome, kuris, nors ir retas, nėra toks įdomus, išskiria du elektronus ir du antineutrinus. Bet yra hipotetinis dvigubas beta irimas, kuris neišskiria neutrinų. Ši rūšis veikia tik tuo atveju, jei neutrinas yra jo paties dalelė, o tai reiškia, kad neutrinas ir antineutrinas yra visiškai tas pats dalykas. Ir turėdami dabartinį žinių apie daiktų daleles lygį, mes sąžiningai nežinome, ar neutrinas elgiasi taip, ar ne.
Šiek tiek sunku apibūdinti tikslią vidinį šio vadinamojo neutrininio dvigubo beta irimo procesą, tačiau galite įsivaizduoti, kad susidarę neutrinai sąveikauja patys su savimi prieš išvengdami reakcijos. Neturint neutrinų, ši hipotetinė reakcija išstumia du elektronus ir nieko daugiau, taigi pažeidžia leptonų skaičiaus išsaugojimą, nes tai sulaužys žinomą fiziką, kuri būtų labai jaudinanti. Taigi medžioklė aptinka kažką panašaus, nes pirmajai grupei, kuri tai daro, garantuojama Nobelio premija. Per kelis dešimtmečius buvo atliekama daugybė eksperimentų, kurių nesisekė, ir tai reiškia, kad jei šis procesas egzistuoja gamtoje, jis turi būti labai, labai retas.
Kaip retas? Neseniai paskelbtame leidinyje „Advanced Molybdenum-based Retre Process Experiment“ (AMoRE) komanda paskelbė pirmuosius savo rezultatus. Šiame eksperimente ieškoma neutrininio dvigubo beta irimo, naudojant, kaip jūs atspėjote, daug molibdeno. Ir, spėk kas? Teisingai, jie nematė jokių skilimų. Atsižvelgiant į jų eksperimento dydį ir įrašytą laiką, jie apskaičiavo, kad dvigubo beta beta formavimosi pusinės eliminacijos laikas yra ne mažesnis kaip 10 ^ 23 metai, o tai yra daugiau nei trilijoną kartų didesnis nei dabartinis visata.
Taip, retai.
Ką tai reiškia? Tai reiškia, kad jei norime rasti naują fiziką šia linkme, turėsime nuolat kasti ir žiūrėti dar daugiau triukšmo.
Paulius M. Sutteris yra astrofizikas Ohajo valstijos universitetas, šeimininkas Paklauskite erdvėlaivio ir Kosminis radijas, ir autorius Jūsų vieta Visatoje.
