At transmittere et element til et andet (som regel guld, selvfølgelig) var tingene med feber drømme og fantasifulde forestillinger for alkymister langt tilbage i dagen. Det viser sig, at naturen gør det hele tiden uden hjælp fra os - dog normalt ikke i guld.
Denne naturlige alkymi, kaldet radioaktivitet, sker, når et element henfalder og dermed omdannes til et andet element.
Ved at studere nogle af de sjældneste forfald, kan vi få et antydning af noget af det mest grundlæggende i fysik - fysik så grundlæggende, det kan måske bare overstige vores nuværende forståelse.
Et af disse undvigende radioaktive henfald er faktisk aldrig blevet set, men det er fysikere virkelig i håb om at finde det. Det kaldes neutrinoløst dobbelt-beta-forfald, det ville betyde, at radioaktive elementer spytter ud to elektroner og intet andet (ikke engang spøgelsesrige, chargeless, knap-der partikler kendt som neutrinoer). Hvis fysikere formår at få øje på dette forfald i den virkelige verden, ville det være i strid med en af de grundlæggende regler for fysik og fremskynde et løb for at finde nye.
Men dårlige nyheder for fans af neutrinoløst dobbelt-beta-forfald: En af de længstkørende eksperimenter, der for nylig blev offentliggjort, viser ikke noget antydning til denne proces, hvilket betyder, at hvis denne enhjørningsproces forekommer, er den utroligt sjælden. Og det eneste svar, vi har lige nu, er at fortsætte med at grave, holde fingrene krydsede.
Radioaktive rester
For at forstå vigtigheden af neutrinoløst dobbelt-beta-forfald er vi nødt til at gå tilbage mere end et århundrede, til slutningen af 1800-tallet, for at forstå, hvad radioaktivt forfald er i første omgang. Det var den entydigt dygtige Ernest Rutherford, der regnede ud, at der var tre forskellige slags forfald, som han kaldte alfa, beta og gamma (fordi hvorfor ikke).
Hvert af disse henfald førte til en anden slags emission af energi, og Rutherford fandt, at de såkaldte "beta-stråler" kunne rejse ganske forskellige måder gennem nogle metalplader, før de stoppede. Senere eksperimenter afslørede arten af disse stråler: De var bare elektroner. Så nogle kemiske elementer (sig, cæsium) omdannede sig selv til andre elementer (f.eks. Barium), og under processen blev de elektroner udspyttet. Hvad giver?
Svaret ville ikke komme i endnu et par årtier, efter at vi fundet ud af, hvad elementer er lavet af (små partikler kaldet protoner og neutroner), hvilke protoner og neutroner er lavet af (endda små partikler kaldet kvarker), og hvordan disse enheder taler til hver andre inden i atomer (de stærke og svage atomkræfter). Vi lærte, at et neutron på et indfald en dag kan beslutte at blive et proton og i processen udsende et elektron (de engang navngivne beta-stråler). Fordi neutronen ændrede sig til en proton, og antallet af protoner bestemmer, hvilken type element du er, kan vi næsten magisk få elementer, der omdannes til andre.
Gem leptonerne
For at få denne transformation til at ske, er neutronen nødt til at ændre sin interne struktur, og dens interne struktur er lavet af mindre tegn kaldet kvarker. Navnlig har en neutron en "op" -kvark og to "ned" -kvarker, mens en proton har det modsatte - en enkelt "ned" -kvark og et par "op" -kvarker. Så for at ændre et slags element til et andet - og lave betastråling undervejs - er vi nødt til at vende en af disse kvarker ned til op, og der er kun en kraft i universet, der er i stand til at gøre det: den svage atomkraft .
Faktisk er det stort set al den svage kraft nogensinde gør: Den omdanner en slags kvark til en anden. Så den svage kraft gør sine ting, en down quark bliver en up quark, en neutron bliver en proton, og et element ændres til et andet.
Men fysiske reaktioner handler alt om balance. Tag for eksempel den elektriske opladning. Lad os forestille os, at vi startede med en enkelt neutron - selvfølgelig neutral. I slutningen får vi en proton, som er positivt ladet. Det er et nej-nej, og derfor skal noget afbalanceres: den negativt ladede elektron.
Og der er en anden afbalancerende handling nødvendig: det samlede antal leptoner skal forblive det samme. Lepton er bare et smukt navn på nogle af de mindste partikler, som elektroner, og den smarte udtryk for denne afbalancerende handling er "bevarelse af leptonnummer." Som med den elektriske ladning, er vi nødt til at afbalancere begyndelsen og slutningen af historien. I dette tilfælde starter vi med nul leptoner, men slutter med en: elektronet.
Hvad afbalancerer det? En anden ny partikel oprettes i reaktionen, en antineutrino, der tæller som en negativ, der balanserer alt sammen.
Hvem har brug for en neutrino?
Her er drejningen: Der kan være et slags betafred, der overhovedet ikke kræver en neutrino. Men ville det ikke krænke denne vigtige bevaring af leptonnumre? Hvorfor, ja, det ville det, og det ville være fantastisk.
Nogle gange kan to beta-henfald ske på én gang, men det er dybest set to regelmæssige beta-henfald, der sker samtidig inden for det samme atom, som selvom sjældne ikke er så interessante, der spytter ud to elektroner og to antineutrino. Men der er et hypotetisk dobbelt beta-henfald, der ikke udsender nogen neutrino. Denne art fungerer kun, hvis neutrinoen er dens egen antipartikel, hvilket betyder, at neutrino og antineutrino er nøjagtig det samme. Og på vores nuværende niveau af viden om alle partikler, ved vi ærligt ikke, om neutrinoen opfører sig på denne måde eller ej.
Det er lidt svært at beskrive den nøjagtige interne proces i dette såkaldte neutrinoløse dobbelt-beta-forfald, men du kan forestille dig, at de producerede neutrinoer interagerer med sig selv, før du undslipper reaktionen. Uden neutrinoer bringer denne hypotetiske reaktion to elektroner ud og intet andet, hvilket krænker bevarelse af lepton-nummer, hvilket ville ødelægge kendt fysik, hvilket ville være meget spændende. Derfor er jakten klar til at opdage noget som dette, fordi den første gruppe, der gør det, er garanteret en Nobelpris. I løbet af årtier er mange eksperimenter kommet og gået med lidt held, hvilket betyder, at hvis denne proces findes i naturen, skal den være meget, meget sjælden.
Hvor sjældent? I en nylig artikel offentliggjorde teamet bag Advanced Molybden-based Rare process Experiment (AMoRE) deres første resultater. Dette eksperiment søger efter neutrinoløst dobbelt-beta-henfald ved hjælp af, du gætte det, en masse molybdæn. Og gæt hvad? Det er rigtigt, de så ingen forfald. I betragtning af størrelsen på deres eksperiment og hvor lang tid de har registreret, estimerer de, at dobbeltbetafaldet forekommer med en halveringstid på ikke mindre end 10 ^ 23 år, hvilket er mere end en billion tit den aktuelle alder på universet.
Ja, sjældent.
Hvad betyder det? Det betyder, at hvis vi ønsker at finde ny fysik i denne retning, bliver vi nødt til at fortsætte med at grave og holde øje med en masse flere forfald.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vært for Spørg en Spaceman og Space Radio, og forfatter af Dit sted i universet.
