Prebacivanje jednog elementa u drugi (obično zlato, naravno) bili su grozničavi snovi i maštovite mašte za alkemičare još u doba dana. Ispada da priroda to radi cijelo vrijeme bez ičije pomoći - iako obično ne u zlato.
Ta se prirodna alkemija, koja se naziva radioaktivnost, događa kada element propadne i time se transformira u drugi element.
Proučavajući neke od najrjeđih raspada, možemo dobiti nagovještaj nekih najosnovnijih fizika - fizike toliko fundamentalne, da je to možda samo izvan našeg trenutnog razumijevanja.
Jedan od tih neuhvatljivih radioaktivnih raspada zapravo nikada nije viđen, ali fizičari jesu stvarno nadajući se da će ga pronaći. Nazvano dvostruko-beta raspadanjem neutrina, značilo bi da radioaktivni elementi ispljuvaju dva elektrona i ništa drugo (čak ni sablasno, neiscrpno, jedva postojeće čestice poznate kao neutrini). Ako fizičari uspijeju primijetiti ovo propadanje u stvarnom svijetu, to bi kršilo jedno od osnovnih pravila fizike i poticalo utrku za pronalaženjem novih.
Ali loša vijest za obožavatelje neutrinog dvostrukog beta raspada: Jedan od najdugovječnijih eksperimenata nedavno objavljenih rezultata ne pokazuje naznake ovog procesa, što znači da ako se dogodi ovaj jednorog, to je nevjerojatno rijetko. I jedini odgovor koji trenutno imamo jest kopanje i držanje prstiju prekriženih.
Radioaktivni ostaci
Da bismo shvatili važnost neutrinog dvostrukog beta raspada, moramo se vratiti više od jednog stoljeća, do kasnih 1800-ih, da bismo shvatili što je radioaktivno propadanje na prvom mjestu. Jedino je vješt Ernest Rutherford zaključio da postoje tri različite vrste raspada, koje je nazvao alfa, beta i gama (jer zašto ne).
Svako od tih propadanja dovelo je do različitog zračenja energije, a Rutherford je otkrio da bi takozvane "beta zrake" mogle proći dosta načina kroz neke metalne limove prije zaustavljanja. Kasniji su pokusi otkrili prirodu ovih zraka: Oni su bili samo elektroni. Tako su se neki kemijski elementi (recimo, cezij) transformirali u druge elemente (recimo, barijev), a u procesu su pljuvali elektrone. Što daje?
Odgovor ne bi stigao još nekoliko desetljeća, nakon što smo shvatili od kojih elemenata su napravljeni (sitne čestice koje se nazivaju protoni i neutroni), od čega se prave protoni i neutroni (čak sitnije čestice koje se nazivaju kvarkovima) i kako ovi entiteti razgovaraju sa svakim od njih ostali unutarnji atomi (jake i slabe nuklearne sile). Saznali smo da, na ćudored, neutron može jednog dana odlučiti postati proton i, u tom procesu, emitira elektron (nekoć nazvane beta zrake). Budući da se neutron promijenio u proton, a broj protona određuje kakav ste element, gotovo čarobno možemo dobiti elemente pretvarajući se u druge.
Spremite leptone
Da bi se ta transformacija dogodila, neutron mora promijeniti svoju unutarnju strukturu, a svoju unutarnju strukturu čine manji znakovi zvani kvarkovi. Konkretno, neutron ima jedan "gore" kvark i dva kvarka "dolje", dok protoni imaju obrnuto - jedan "kvar" i par "gore" kvarkova. Dakle, da bismo promijenili jednu vrstu elemenata u drugu - i napravili beta-zračenje usput - moramo jedan od ovih kvarkova prebaciti od vrha prema gore, a u svemiru postoji samo jedna sila koja je sposobna da se to dogodi: slaba nuklearna sila ,
U stvari, to je gotovo sve što slaba sila ikad radi: transformira jednu vrstu kvarka u drugu. Tako slaba sila čini svoje, dolje kvark postaje up kvark, neutron postaje proton, a element se mijenja u drugi.
Ali fizičke reakcije su sve u ravnoteži. Uzmimo, na primjer, električni naboj. Zamislimo da smo započeli s jednim neutronom - naravno, neutralnim. Na kraju dobivamo proton, koji je pozitivno nabijen. To je ne-ne, i tako nešto treba izravnati: negativno nabijeni elektron.
A potreban je još jedan čin uravnoteženja: ukupni broj leptona mora ostati isti. Lepton je samo maštovito ime nekih najsitnijih čestica, poput elektrona, a maštovit izraz za ovaj čin uravnoteženja je „očuvanje leptonskog broja“. Kao i kod električnog naboja, moramo uravnotežiti početak i kraj priče. U ovom slučaju započinjemo s nula leptona, ali završavamo s jednim: elektron.
Što to uravnotežuje? U reakciji se stvara još jedna nova čestica, antineutrino, koja se računa kao negativna, uravnotežujući sve.
Kome treba neutrino?
Evo zaokreta: Može postojati neka vrsta beta raspada za koji uopće ne treba neutrino. No, zar to ne bi narušilo ovo najvažnije očuvanje broja leptona? Zašto, da, bilo bi i bilo bi sjajno.
Ponekad se mogu dogoditi dva beta raspada odjednom, ali u osnovi su dva redovita beta raspada koji se događaju istovremeno unutar istog atoma, što, iako je rijetko, nije sve tako zanimljivo, ispljunuvši dva elektrona i dva antineutrina. Ali postoji hipotetički dvostruki beta raspad koji ne emitira neutrine. Ova vrsta djeluje samo ako je neutrino vlastiti anti čestica, što znači da su neutrino i antineutrino potpuno ista stvar. I na sadašnjoj razini znanja o svim česticama, iskreno ne znamo da li se neutrino ponaša na ovaj način ili ne.
Malo je teško opisati točan unutarnji proces u ovom takozvanom neutrino-dvostrukom beta raspadu, ali možete zamisliti da proizvedeni neutrini međusobno djeluju prije nego što izbjegnu reakciju. Bez neutrina, ova hipotetička reakcija izaziva dva elektrona i ništa drugo, što narušava očuvanje leptonskog broja, što bi razbilo poznatu fiziku, što bi bilo vrlo uzbudljivo. Stoga je lov na otkrivanje nečeg takvog, jer je prvoj skupini koja to učini zajamčena Nobelova nagrada. Tijekom desetljeća mnogi su eksperimenti dolazili i prolazili s malo sreće, što znači da ako taj proces postoji u prirodi, to mora biti vrlo, vrlo rijetko.
Koliko rijetko? U nedavnom radu, tim koji stoji iza naprednog eksperimenta za rijetki proces na bazi molibdena (AMoRE) objavio je svoje prve rezultate. Ovaj eksperiment traži neutrino dvostruko beta propadanje koristeći, pretpostavljate, puno molibdena. I pogodi što? Tako je, nisu vidjeli propadanje. S obzirom na veličinu njihovog eksperimenta i duljinu vremena koje su snimili, oni procjenjuju da se dvostruko beta raspad događa s poluživotom ne manjim od 10 ^ 23 godine, što je više od trilijuna puta više od trenutne dobi od svemir.
Da, rijetko.
Što to znači? To znači da ako želimo pronaći novu fiziku u ovom smjeru, morat ćemo nastaviti kopanje i gledati još puno više raspada.
Paul M. Sutter je astrofizičar na Državno sveučilište Ohio, domaćin Pitajte svemira i Svemirski radio, i autor Vaše mjesto u svemiru.
