Å overføre det ene elementet til et annet (vanligvis gull, selvfølgelig) var ting av feber drømmer og fantasifulle forestillinger for alkymister langt tilbake i dag. Det viser seg at naturen gjør det hele tiden uten hjelp fra oss - dog ikke vanligvis til gull.
Denne naturlige alkymien, kalt radioaktivitet, skjer når et element forfaller og dermed blir til et annet element.
Ved å studere noen av de sjeldneste forfallene, kan vi få et hint av noe av det mest grunnleggende innen fysikk - fysikk så grunnleggende, det kan bare være utenfor vår nåværende forståelse.
En av disse unnvikende radioaktive forfallene har faktisk aldri blitt sett, men fysikere er det egentlig håper å finne den. Kalt neutrinoløst dobbelt-beta-forfall, ville det bety at radioaktive elementer spytter ut to elektroner og ingenting annet (ikke engang spøkelsesaktige, ladeløse, knapt-der-partikler kjent som nøytrinoer). Hvis fysikere klarer å oppdage dette forfallet i den virkelige verden, ville det bryte en av de grunnleggende fysikkreglene og gi et løp for å finne nye.
Men dårlige nyheter for fans av neutrinoløst dobbelt-beta-forfall: Et av de lengstkjørende eksperimentene som nylig ble publisert, og viser ingen antydning til denne prosessen, noe som betyr at hvis denne enhjørningsprosessen skjer, er den utrolig sjelden. Og det eneste svaret vi har akkurat nå er å fortsette å grave, holde fingrene i kryss.
Radioaktive rester
For å forstå viktigheten av neutrinoløst dobbelt-beta-forfall, må vi tilbake mer enn et århundre, til slutten av 1800-tallet, for å forstå hva radioaktivt forfall er i utgangspunktet. Det var den enestående dyktige Ernest Rutherford som fant ut at det var tre forskjellige typer forfall, som han kalte alfa, beta og gamma (fordi hvorfor ikke).
Hver av disse forfallene førte til en annen type utslipp av energi, og Rutherford fant ut at de såkalte "beta-strålene" kunne reise ganske mange veier gjennom noen metallplater før de stoppet. Senere eksperimenter avslørte arten av disse strålene: De var bare elektroner. Så noen kjemiske elementer (si cesium) forvandlet seg til andre elementer (si barium), og i prosessen spyttet de ut elektroner. Hva gir?
Svaret ville ikke komme i noen flere tiår, etter at vi fant ut hvilke elementer som er laget av (bittesmå partikler som kalles protoner og nøytroner), hva protoner og nøytroner er laget av (til og med små partikler som kalles kvarker) og hvordan disse enhetene snakker med hver andre indre atomer (de sterke og svake atomkreftene). Vi fikk vite at et nøytron på et innfall en dag kan bestemme seg for å bli et proton og i løpet av prosessen avgi et elektron (de en gang navngitte beta-strålene). Fordi nøytronet endret seg til en proton, og antall protoner bestemmer hva slags element du er, kan vi nesten på magisk vis få elementer til å transformere seg til andre.
Lagre leptonene
For å få denne transformasjonen til å skje, må nøytronet endre sin interne struktur, og den interne strukturen er laget av mindre tegn som kalles kvarker. Spesielt har et nøytron ett "opp" -kvark og to "ned" -kvarkene, mens et proton har det motsatte - et enkelt "ned" -kvark og et par "opp" -kvarkene. Så for å endre et slags element til et annet - og lage betastråling underveis - må vi snu en av disse kvarkene fra ned til opp, og det er bare en styrke i universet som kan gjøre det skje: den svake atomkraften .
Det er faktisk ganske mye all den svake kraften noensinne gjør: Den forvandler en slags kvark til en annen. Så den svake kraften gjør sine ting, en dunkvark blir en opp kvark, et nøytron blir et proton, og et element endres til et annet.
Men fysiske reaksjoner handler om balanse. Ta for eksempel den elektriske ladningen. La oss tenke oss at vi startet med et enkelt nøytron - selvfølgelig nøytralt. På slutten får vi et proton, som er positivt ladet. Det er et nei-nei, og derfor må noe balansere det: det negativt ladede elektronet.
Og det er en annen balansegang som trengs: det totale antallet leptoner må være det samme. Lepton er bare et fancy navn for noen av de minste partiklene, som elektroner, og den fancy betegnelsen for denne balansegangen er "bevaring av leptonnummer." Som med den elektriske ladningen, må vi balansere begynnelsen og slutten av historien. I dette tilfellet starter vi med null leptoner, men slutter med en: elektronet.
Hva balanserer det? En annen ny partikkel skapes i reaksjonen, en antineutrino, som teller som en negativ, som balanserer alt ut.
Hvem trenger et nøytrino?
Her er vrien: Det kan være et slags beta-forfall som ikke krever neutrino i det hele tatt. Men ville det ikke krenke denne viktige bevaring av leptonnummer? Hvorfor, ja, det ville det, og det ville være kjempebra.
Noen ganger kan to beta-forfall skje på en gang, men det er i utgangspunktet to vanlige beta-forfall som skjer samtidig i samme atom, som selv om sjeldne ikke er så interessante, og spytter ut to elektroner og to antineutrino. Men det er et hypotetisk dobbelt beta-forfall som ikke avgir noen nøytrinoer. Denne typen fungerer bare hvis nøytrino er en egen antipartikkel, noe som betyr at nøytrino og antineutrino er nøyaktig samme. Og på vårt nåværende kunnskapsnivå om alle partikler, vet vi ærlig talt ikke om nøytrinoen oppfører seg på denne måten eller ikke.
Det er litt vanskelig å beskrive den eksakte interne prosessen i dette såkalte neutrinoløse dobbelt-beta-forfallet, men du kan forestille deg de produserte nøytrinoene som samhandler med seg selv før du slipper unna reaksjonen. Uten nøytrinoer, trekker denne hypotetiske reaksjonen ut to elektroner og ingenting annet, og dermed krenker konseptet av lepton-nummer, noe som vil bryte kjent fysikk, noe som ville være veldig spennende. Derfor er jakten på å oppdage noe lignende, fordi den første gruppen som gjør det er garantert en nobelpris. I løpet av flere tiår har mange eksperimenter kommet og gått med lite hell, noe som betyr at hvis denne prosessen eksisterer i naturen, må den være veldig, veldig sjelden.
Hvor sjelden? I en fersk artikkel ga teamet bak Advanced Molybden-based Rare process Experiment (AMoRE) sine første resultater. Dette eksperimentet søker etter neutrinoløst dobbelt-beta-forfall ved bruk av, du gjettet det, mye molybden. Og gjett hva? Det er riktig, de så ingen forfall. Gitt størrelsen på eksperimentet og hvor lang tid de har spilt inn, anslår de at dobbelt-beta-forfallet skjer med en halveringstid på ikke mindre enn 10 ^ 23 år, noe som er mer enn en billion ganger gjeldende alder på universet.
Ja, sjelden.
Hva betyr det? Det betyr at hvis vi ønsker å finne ny fysikk i denne retningen, må vi fortsette å grave og fortsette å se på mye forfall.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vert av Spør en Spaceman og Space Radio, og forfatter av Din plass i universet.
