Premena jedného prvku na druhý (zvyčajne zlato) bola záležitosť horúčkových snov a fantazijných fantázií pre alchymistov už v deň. Ukazuje sa, že príroda to robí stále bez akejkoľvek pomoci od nás - aj keď nie obyčajne do zlata.
Táto prírodná alchýmia, nazývaná rádioaktivita, sa stáva, keď sa niektorý prvok rozpadá, čím sa transformuje na iný.
Štúdiom niektorých najvzácnejších rozpadov môžeme získať náznak niektorých najzákladnejších fyzík - fyziky tak zásadnej, že by to mohlo byť nad naše súčasné chápanie.
Jeden z týchto nepolapiteľných rádioaktívnych rozpadov sa v skutočnosti nikdy nevidel, ale fyzici sú naozaj dúfajúc, že to nájdu. Nazýva sa neutrínolínový dvojitý beta rozpad, znamenalo by to, že rádioaktívne prvky vyplivujú dva elektróny a nič iné (ani strašidelné, chargeless, sotva tam častice známe ako neutrína). Ak sa fyzikom podarí spozorovať tento úpadok v reálnom svete, porušilo by to jedno zo základných pravidiel fyziky a pomohlo by rase nájsť nové.
Ale zlá správa pre fanúšikov neutrínového dvojitého beta rozpadu: Jeden z najdlhšie prebiehajúcich experimentov, ktorý bol nedávno publikovaný, nevykazuje žiadne náznaky tohto procesu, čo znamená, že ak sa tento proces jednorožca vyskytne, je to neuveriteľne zriedkavé. A jediná odpoveď, ktorú máme teraz, je kopať a držať palce.
Rádioaktívne zvyšky
Aby sme pochopili dôležitosť neutrínového dvojitého beta rozpadu, musíme sa vrátiť o viac ako storočie, do konca 19. storočia, aby sme pochopili, čo je rádioaktívny rozpad. Bol to jedinečne zručný Ernest Rutherford, ktorý prišiel na to, že existujú tri rôzne druhy rozpadov, ktoré nazýval alfa, beta a gama (pretože prečo nie).
Každé z týchto rozpadov viedlo k inému druhu energie a Rutherford zistil, že takzvané „beta lúče“ by mohli pred zastavením prejsť docela dosť cez niektoré plechy. Neskoršie experimenty odhalili povahu týchto lúčov: Boli to iba elektróny. Takže niektoré chemické prvky (povedzme cézium) sa transformovali na iné prvky (povedzme bárium) a v tomto procese pľuli elektróny. Čo dáva?
Odpoveď by neprišla ďalších pár desaťročí, keď sme si vymysleli, z ktorých prvkov sú vyrobené (malé častice nazývané protóny a neutróny), z ktorých sú vyrobené protóny a neutróny (dokonca menšie častice nazývané kvarky) a ako tieto entity hovoria s každým iné vnútorné atómy (silné a slabé jadrové sily). Dozvedeli sme sa, že za určitých okolností sa neutrón môže jedného dňa rozhodnúť stať sa protónom a pri tom bude emitovať elektrón (kedysi pomenované beta lúče). Pretože neutrón sa zmenil na protón a počet protónov určuje, aký druh prvku ste, môžeme takmer magicky získať prvky transformujúce sa na iné.
Uložte leptóny
Aby táto transformácia prebehla, musí neutrón zmeniť svoju vnútornú štruktúru a jej vnútornú štruktúru tvoria menšie znaky nazývané kvarky. Neutrón má najmä jeden kvark „up“ a dva kvarky „down“, zatiaľ čo protón má reverz - jeden kvark „down“ a pár kvarkov „up“. Aby sme zmenili jeden druh prvku na iný - a urobili z toho beta žiarenie - musíme prevrátiť jeden z týchto kvarkov zhora nadol a vo vesmíre je len jedna sila, ktorá dokáže dosiahnuť toto: slabá jadrová sila ,
V skutočnosti je to skoro všetko, čo slabá sila kedy urobila: Transformuje jeden druh kvarku na iný. Takže slabá sila robí svoju vec, kvark dole sa stáva kvarkom nahor, neutrón sa stáva protónom a prvok sa zmení na iný.
Fyzické reakcie sú však len o rovnováhe. Vezmite napríklad elektrický náboj. Predstavme si, že sme začali s jedným neutrónom - samozrejme neutrálnym. Nakoniec dostaneme protón, ktorý je pozitívne nabitý. To je nie-nie, a preto niečo musí vyvážiť: negatívne nabitý elektrón.
A je potrebný ďalší vyrovnávací akt: celkový počet leptónov musí zostať rovnaký. Lepton je len vymyslený názov pre niektoré z najmenších častíc, ako sú elektróny, a ozdobný výraz pre tento vyrovnávací akt je „ochrana leptonových čísel“. Rovnako ako v prípade elektrického náboja musíme vyrovnať začiatok a koniec príbehu. V tomto prípade začíname nulovými leptónmi, ale končíme jedným: elektrónom.
Čo to vyvažuje? Pri reakcii sa vytvorí ďalšia nová častica, antineutrino, ktorá sa počíta ako negatívna a všetko vyváži.
Kto potrebuje neutrín?
Tu je zvrat: Môže sa vyskytnúť druh beta rozpadu, ktorý vôbec nevyžaduje neutrín. Ale neporušilo by to toto veľmi dôležité zachovanie počtu leptonových čísel? Prečo, áno, bolo by to a bolo by to úžasné.
Niekedy sa môžu vyskytnúť dva beta rozpady naraz, ale v zásade sa to stáva dvoma pravidelnými beta rozpadmi, ktoré sa dejú súčasne v rovnakom atóme, čo je síce zriedkavé, ale nie je až také zaujímavé, pľuli dva elektróny a dva antineutríny. Existuje však hypotetický dvojitý beta rozpad, ktorý nevytvára žiadne neutrína. Tento druh funguje iba vtedy, ak je neutríno vlastným antičasticom, čo znamená, že neutríno a antineutríno sú presne to isté. A na našej súčasnej úrovni vedomostí o veciach všetkých vecí, úprimne nevieme, či sa neutríno správa takýmto spôsobom alebo nie.
Je trochu ťažké opísať presný interný proces v tomto takzvanom neutrinolovom dvojitom beta rozpade, ale môžete si predstaviť, že vyrobené neutrína interagujú so sebou skôr, ako uniknú reakcii. Bez neutrín by táto hypotetická reakcia zatienila dva elektróny a nič iné, čím by porušila ochranu leptonových čísel, čím by sa rozbila známa fyzika, čo by bolo veľmi vzrušujúce. Z tohto dôvodu sa lov snaží zistiť niečo také, pretože prvej skupine, ktorá to urobí, je zaručená Nobelova cena. V priebehu desaťročí prišlo a odišlo veľa experimentov s trochou šťastia, čo znamená, že ak tento proces existuje v prírode, musí to byť veľmi, veľmi zriedkavé.
Aké zriedkavé? V nedávnom článku zverejnil tím, ktorý stojí za experimentom experimentov na báze vzácnych procesov založeným na molybdéne (AMoRE), prvé výsledky. Tento experiment hľadá rozpad neutrónovej dvojbety beta pomocou, uhádli ste, veľa molybdénu. A hádaj čo? Správne, nevideli žiadne rozpady. Vzhľadom na veľkosť ich experimentu a dĺžku zaznamenaného času sa odhaduje, že rozpady dvojitého beta sa vyskytujú s polčasom rozpadu najmenej 10 ^ 23 rokov, čo je viac ako biliónnásobok súčasného veku. vesmír.
Áno, zriedkavo.
Čo to znamená? To znamená, že ak chceme nájsť novú fyziku týmto smerom, budeme musieť kopať a sledovať oveľa viac rozpadov.
Paul M. Sutter je astrofyzik na Štátna univerzita v Ohiu, hostiteľ Spýtajte sa Spaceman a Vesmírne rádioa autor knihy Vaše miesto vo vesmíre.
