Перетворення одного елемента в інший (звичайно, золото, звичайно) було предметом жахаючих мрій і вигадливих уяв для алхіміків ще в той день. Виявляється, природа робить це постійно без будь-якої допомоги від нас, хоча зазвичай не в золото.
Ця природна алхімія, яка називається радіоактивністю, відбувається, коли елемент розпадається і при цьому перетворюється на інший елемент.
Вивчаючи деякі найрідкісніші розпади, ми можемо отримати натяк на деякі найважливіші фізики - фізику настільки фундаментальну, що може бути просто поза нашим сучасним розумінням.
Одного з таких невловимих радіоактивних розпадів ніколи не було помічено, але фізики є дійсно сподіваючись знайти його. Називається безтриміновим подвійним бета-розпадом, це означатиме, що радіоактивні елементи випльовують два електрони і більше нічого (навіть примарні, беззаперечні, ледь-там частинки, відомі як нейтрино). Якщо фізикам вдасться помітити цей розпад у реальному світі, це порушило б одне з фундаментальних правил фізики і розпалило гонку на пошук нових.
Але погана новина для шанувальників нейтринобезлічного подвійного бета-розпаду: Один із найдовших експериментів, опублікованих нещодавно, не показує жодного натяку на цей процес, тобто, якщо цей процес єдиноріг дійде, це надзвичайно рідко. І єдина відповідь, яку ми маємо зараз, - це продовжувати копати, тримаючи пальці схрещеними.
Радіоактивні залишки
Щоб зрозуміти важливість безтринового подвійного бета-розпаду, нам доведеться повернутися більше століття, до кінця 1800-х років, щоб зрозуміти, що таке радіоактивний розпад в першу чергу. Ернест Резерфорд зрозумів, що існує три різних розклади, які він назвав альфа, бета та гамма (бо чому б ні).
Кожне з цих розпадів призвело до різного роду випромінювання енергії, і Резерфорд виявив, що так звані "бета-промені" можуть пройти досить дороги через деякі металеві листи перед зупинкою. Пізніші експерименти виявили природу цих променів: Вони були просто електронами. Так деякі хімічні елементи (скажімо, цезій) перетворювались на інші елементи (скажімо, барій), і в процесі цього вони виплювали електрони. Що дає?
Відповідь не надійде ще кілька десятиліть, після того як ми з'ясували, з яких елементів виготовляються (крихітні частинки, які називаються протонами та нейтронами), з яких протонів і нейтронів (навіть більш дрібні частинки, які називаються кварками), і як ці сутності розмовляють між собою інші внутрішні атоми (сильні та слабкі ядерні сили). Ми дізналися, що за примхою нейтрона в один прекрасний день може вирішити стати протоном і, в процесі цього, випромінювати електрон (колись названі бета-промені). Оскільки нейтрон змінився на протон, а кількість протонів визначає, який ти елемент, ми можемо майже магічно отримати елементи, що перетворюються на інших.
Збережіть лептони
Щоб це перетворення відбулося, нейтрон повинен змінити свою внутрішню структуру, а внутрішню структуру скласти з менших символів, званих кварками. Зокрема, у нейтрона є один кварк "вгору" і два кварки "вниз", а у протона - зворотний - один кварк "вниз" і пара кварків "вгору". Отже, щоб змінити один з типів елементів на інший - і зробити бета-випромінювання попутно - нам потрібно перевернути один з цих кварків знизу вгору, і у Всесвіті є лише одна сила, яка здатна це зробити: слабка ядерна сила .
Насправді, це майже все, що коли-небудь робить слабка сила: вона перетворює один вид кварків в інший. Тож слабка сила робить свою справу, низхідний кварк перетворюється на верхній кварк, нейтрон стає протоном, а елемент перетворюється на інший.
Але фізичні реакції стосуються рівноваги. Візьмемо, наприклад, електричний заряд. Уявімо собі, що ми почали з одного нейтрона - звичайно, нейтрального. В кінці ми отримуємо протон, який позитивно заряджений. Це ні-ні, і тому потрібно щось збалансувати: негативно заряджений електрон.
І потрібен ще один акт врівноваження: загальна кількість лептонів повинна залишатися однаковою. Лептон - лише фантастична назва деяких найдрібніших частинок, таких як електрони, і вигадним терміном цього акта врівноваження є "збереження числа лептонів". Як і з електричним зарядом, ми маємо збалансувати початок і кінець історії. У цьому випадку ми починаємо з нуля лептонів, але закінчуємо одним: електроном.
Що це врівноважує? Ще одна нова частинка створюється в реакції - антинейтрино, яка вважається негативною, врівноважуючи все.
Кому потрібен нейтрино?
Ось поворот: може виникнути вид бета-розпаду, який зовсім не потребує нейтрино. Але чи не це порушило б це все важливе збереження числа лептонів? Чому так, так, і це було б приголомшливо.
Іноді можуть відбуватися відразу два бета-розпаду, але в основному це два регулярних бета-розпади, що відбуваються одночасно в межах одного атома, що, хоча рідко, не все, що цікаво, виплюнувши два електрони та два антинейтрино. Але є гіпотетичний подвійний бета-розпад, який не виділяє нейтрино. Цей вид працює лише в тому випадку, якщо нейтрино є власною античастиною, а це означає, що нейтрино та антинейтрино - це те саме. І при сучасному рівні знань про всі частинки речей ми, чесно, не знаємо, чи поводиться нейтрино таким чином чи ні.
Трохи важко описати точний внутрішній процес при цьому так званому нейтринобезлікарському подвійному бета-розпаді, але ви можете уявити, що вироблені нейтрино взаємодіють між собою, перш ніж уникнути реакції. Без нейтрино ця гіпотетична реакція витісняє два електрони і більше нічого, отже, порушує збереження лептонного числа, що порушить відому фізику, що було б дуже захоплююче. Отже, охота виявляє щось подібне, тому що першій групі, яка це зробила, гарантується Нобелівська премія. Протягом десятиліть багато експериментів надходило і проходило мало шансів, це означає, що якщо цей процес існує в природі, він повинен бути дуже-дуже рідкісним.
Як рідко? У недавньому документі команда, що стоїть за «Розширеним експериментом з рідкісних процесів на основі молібдену» (AMoRE), опублікувала свої перші результати. Цей експеримент шукає подвійне бета-бета-розпад за допомогою нейтрино, використовуючи багато молібдену. І вгадайте, що? Правильно, вони не бачили жодного занепаду. Враховуючи розмір свого експерименту та тривалість часу, який вони записували, вони вважають, що подвійний бета-розпад відбувається із періодом напіввиведення не менше 10 ^ 23 років, що більш ніж на трильйон разів більше, ніж поточний вік Всесвіт.
Так, рідкісні.
Що це означає? Це означає, що якщо ми хочемо знайти нову фізику в цьому напрямку, нам доведеться продовжувати копати і продовжувати спостерігати за набагато більше занепадів.
Пол М. Саттер є астрофізиком в Державний університет штату Огайо, господар Запитайте космонавта і Космічне радіо, і автор Ваше місце у Всесвіті.
