Пребацивање једног елемента у други (обично злато, наравно) биле су ствари грозних снова и маштовитих машта за алхемичаре током данашњег доба. Испада да природа то ради све време без икакве помоћи од нас - иако обично не у злато.
Ова природна алхемија, која се назива радиоактивност, дешава се када елемент пропадне и при томе се трансформише у други елемент.
Проучавајући неке од најређих распада, можемо добити наговештај неких најосновнијих физика - физике толико фундаменталне, да је то можда само изван нашег тренутног разумевања.
Један од тих неухватљивих радиоактивних распада никада није виђен, али физичари јесу стварно надајући се да ће га наћи. Названо двоструко-бета распадање без неутрина, значило би да радиоактивни елементи испљувају два електрона и ништа друго (чак ни сабласно, неисцрпно, једва-честице које су познате као неутрино). Ако физичари успеју да примете ово пропадање у стварном свету, то би кршило једно од основних правила физике и покренуло трку за проналажењем нових.
Али лоша вест за љубитеље неутриног двоструког бета распада: Један од најдуготрајнијих експеримената недавно објављених резултата није показао наговештај овог процеса, што значи да ако се овај једнорожни процес догоди, то је невероватно ретко. А једини одговор који тренутно имамо је да копамо и држимо прекрижене прсте.
Радиоактивни остаци
Да бисмо разумели важност неутриног двоструког бета распада, морамо се вратити више од једног века, до касних 1800-их, да бисмо разумели шта је радиоактивно распадање на првом месту. Једино вешт Ернест Рутхерфорд је открио да постоје три различите врсте распада које је назвао алфа, бета и гама (јер зашто не).
Свако од ових пропадања довело је до другачије емисије енергије, а Рутхерфорд је открио да такозвани „бета зраци“ могу да прођу доста пута кроз неке металне лимове пре заустављања. Каснији експерименти открили су природу ових зрака: Они су били само електрони. Тако су се неки хемијски елементи (рецимо, цезијум) трансформисали у друге елементе (рецимо, баријев), и током процеса су пљували електроне. Што даје?
Одговор неће доћи још неколико деценија, након што смо схватили од којих елемената се праве (ситне честице које се називају протони и неутрони), од чега се праве протони и неутрони (чак ситније честице које се зову кваркови) и како ови ентитети разговарају са сваким од њих остали унутрашњи атоми (јаке и слабе нуклеарне силе). Сазнали смо да, по ћудљивости, неутрон може једног дана да одлучи да постане протон и, током процеса, емитује електрон (некада зване бета зраке). Пошто се неутрон променио у протон, а број протона одређује какав сте елемент, можемо готово чаробно добити елементе који се трансформишу у друге.
Сачувај лептоне
Да би се та трансформација догодила, неутрон мора да промени своју унутрашњу структуру, а своју унутрашњу структуру чини мање карактере зване кваркови. Конкретно, неутрон има један "горе" кварк и два кварка "доле", док протони имају обрнуто - један "квар" и пар "горе" кваркова. Дакле, да бисмо изменили једну врсту елемената у другу - и направили бета зрачење успут - морамо један од ових кваркова пребацити надоле, а у универзуму постоји само једна сила која је способна да се то догоди: слаба нуклеарна сила .
У ствари, то је готово све што слаба сила икад ради: трансформише једну врсту кварка у другу. Тако слаба сила ради своје, доњи кварк постаје горњи кварк, неутрон постаје протон, а елемент се мења у други.
Али физичке реакције се односе на равнотежу. Узмимо, на пример, електрични набој. Замислимо да смо почели са једним неутралним - неутралним, наравно. На крају добијамо протон, који је позитивно набијен. То је не-не, и тако нешто треба да уравнотежи: негативно наелектрисан електрон.
И потребан је још један чин уравнотежења: укупан број лептона мора остати исти. Лептон је само маштовито име за неке од најситнијих честица, попут електрона, а маштовит израз овог чина балансирања је „очување лептонског броја“. Као и код електричног набоја, морамо да уравнотежимо почетак и крај приче. У овом случају почињемо са нула лептона, али завршавамо са једним: електрон.
Шта то уравнотежује? У реакцији се ствара још једна нова честица, антинеутрино, која се рачуна као негативна, уравнотежујући све.
Коме треба неутрино?
Ево преокрета: Можда постоји врста бета распада за који уопште није потребан неутрино. Али зар то не би нарушило ово најважније очување броја лептона? Зашто, да, било би и било би сјајно.
Понекад се могу догодити два бета распада одједном, али у основи су два редовита бета распада који се одвијају истовремено унутар истог атома, што, иако је ретко, није баш све тако занимљиво, испљунувши два електрона и два антинеутрина. Али постоји хипотетички двоструки бета распад који не емитује неутрине. Ова врста делује само ако је неутрино сопствена античестица, што значи да су неутрино и антинеутрино тачно иста ствар. И на нашем тренутном нивоу знања о свим честицама, искрено не знамо да ли се неутрино понаша овако или не.
Мало је тешко описати тачан унутрашњи процес у такозваном неутрино-двоструком бета распаду, али можете замислити да произведени неутрини међусобно делују пре него што избегну реакцију. Без неутрина, ова хипотетичка реакција изазива два електрона и ништа друго, чиме крши очување броја лептона, што би разбило познату физику, што би било веома узбудљиво. Отуда је лов на откривање нечег таквог, јер је првој групи која то учини загарантована Нобелова награда. Током деценија многи су експерименти долазили и пролазили са мало среће, што значи да ако тај процес постоји у природи, то мора бити врло, веома ретко.
Колико ретко? У недавном раду, тим који стоји иза напредног експеримента за ретке процесе засноване на молибдену (АМоРЕ) објавио је своје прве резултате. Овај експеримент тражи неутрино двоструко бета распадање користећи, претпостављате, пуно молибдена. И погодите шта? Тако је, нису видели пропадање. С обзиром на величину њиховог експеримента и дужину времена у којем су снимали, они процењују да се двоструко бета распадање дешава са полуживотом не мањим од 10 ^ 23 године, што је више од три билиона више од тренутног доба универзум.
Да, ретко.
Шта то значи? То значи да ако желимо да пронађемо нову физику у овом правцу, мораћемо да наставимо с копањем и наставимо са гледањем много више распада.
Паул М. Суттер је астрофизичар у Државни универзитет у Охају, домаћин Питајте свемира и Свемирски радиои аутора Ваше место у универзуму.
