Přeměna jednoho prvku na druhý (obvykle zlato, samozřejmě) byla věcí horečnatých snů a fantazií pro alchymisty, kteří se vrátili zpět. Ukazuje se, že příroda to dělá pořád bez jakékoli pomoci od nás - i když ne obvykle do zlata.
K této přirozené alchymii, nazývané radioaktivita, dochází, když se element rozpadá, čímž se přemění v jiný element.
Studiem některých nejvzácnějších rozpadů můžeme získat náznak některé z nejzákladnějších fyzik - fyziky tak zásadní, že by to mohlo být mimo naše současné chápání.
Jeden z těchto nepolapitelných radioaktivních rozpadů nebyl ve skutečnosti nikdy vidět, ale fyzici jsou opravdu doufali, že to najdou. Nazývá se neutrinolovým rozpadem dvojitého beta, znamenalo by to, že radioaktivní prvky vyplivnou dva elektrony a nic jiného (ani strašidelné, chargeless, sotva tam částice známé jako neutrinos). Pokud se fyzikům podaří tento rozpad spatřit ve skutečném světě, porušilo by to jedno ze základních pravidel fyziky a podnítilo by rasu najít nová.
Špatná zpráva pro fanoušky neutrinolového dvojitého beta rozpadu: Jeden z nejdelších experimentů, které byly nedávno publikovány, nevykazuje žádnou známku tohoto procesu, což znamená, že pokud k tomuto procesu jednorožec dojde, je to neuvěřitelně vzácné. A jediná odpověď, kterou právě teď máme, je kopat a držet palce.
Radioaktivní zbytky
Abychom pochopili důležitost neutrinolového rozpadu dvojitého beta, musíme se vrátit o více než století, do konce 18. století, abychom pochopili, co je to radioaktivní rozpad. Byl to jedinečně zručný Ernest Rutherford, který přišel na to, že existují tři různé druhy rozpadů, které nazýval alfa, beta a gama (protože proč ne).
Každý z těchto rozpadů vedl k jinému druhu emise energie a Rutherford zjistil, že takzvané „beta paprsky“ by mohly před zastavením projít docela jistě několika kovovými plechy. Pozdější experimenty odhalily povahu těchto paprsků: Byly to jen elektrony. Takže některé chemické prvky (řekněme, cesium) se transformovaly na jiné prvky (řekněme, baryum) a v tomto procesu plivaly elektrony. Co dává?
Odpověď by nepřicházela dalších několik desetiletí, poté, co jsme zjistili, z jakých prvků jsou vyrobeny (malé částice nazývané protony a neutrony), z nichž jsou vyrobeny protony a neutrony (dokonce i menší částice nazývané kvarky) a jak tyto entity mluví s každým další vnitřní atomy (silné a slabé jaderné síly). Dozvěděli jsme se, že za chvilku se neutron může jednoho dne rozhodnout, že se stane protonem, a v tomto procesu emituje elektron (kdysi pojmenované beta paprsky). Protože se neutron změnil na proton a počet protonů určuje, jaký druh prvku jste, můžeme téměř magicky přimět prvky transformující se na jiné.
Zachraňte leptony
Aby tato transformace proběhla, musí neutron změnit svou vnitřní strukturu a její vnitřní struktura je tvořena menšími znaky zvanými kvarky. Zejména má neutron jeden kvark "nahoru" a dva kvarky "dolů", zatímco proton má obrácený - jeden kvark "dolů" a pár kvarků "nahoru". Abychom změnili jeden druh prvku na jiný - a postupně vytvořili beta záření, musíme převrátit jeden z těchto kvarků shora dolů a ve vesmíru existuje pouze jedna síla, která je schopna toho dosáhnout: slabá jaderná síla .
Ve skutečnosti je to skoro všechno, co kdy slabá síla dělá: Transformuje jeden druh kvarku na jiný. Slabá síla dělá svou věc, kvark dolů se stává kvarkem nahoru, neutron se stává protonem a prvek se změní na jiný.
Ale fyzikální reakce jsou o rovnováze. Vezměte například elektrický náboj. Představme si, že jsme začali s jediným neutronem - samozřejmě neutrálním. Nakonec dostaneme proton, který je kladně nabitý. To je ne-ne, a tak je třeba něco vyrovnat: negativně nabitý elektron.
A je potřeba další vyrovnávací akt: celkový počet leptonů musí zůstat stejný. Lepton je jen vymyšlené jméno pro některé z nejmenších částic, jako jsou elektrony, a vymyšlený termín pro tento vyrovnávací akt je „ochrana leptonových čísel“. Stejně jako u elektrického náboje musíme vyrovnat začátek a konec příběhu. V tomto případě začneme nulovými leptony, ale končíme jedním: elektronem.
Co to vyvažuje? Při reakci se vytvoří další nová částice, antineutrino, které se počítá jako negativní a vše vyvažuje.
Kdo potřebuje neutrino?
Tady je zápletka: Může existovat druh beta rozpadu, který vůbec nevyžaduje neutrino. Ale neporušilo by to toto důležité uchovávání leptonových čísel? Proč ano, bylo by to a bylo by to úžasné.
Někdy se mohou vyskytnout dvě beta rozpady najednou, ale v zásadě se jedná o dva pravidelné beta rozpady, které se dějí současně ve stejném atomu, což sice není tak zajímavé, že plivá dva elektrony a dva antineutriny. Existuje však hypotetický dvojitý beta rozpad, který nevyzařuje žádné neutrina. Tento druh funguje pouze v případě, že neutrino je jeho vlastní antičástice, což znamená, že neutrino a antineutrino jsou přesně to samé. A na naší současné úrovni znalostí o všech věcech částic, upřímně nevíme, zda se neutrino chová tímto způsobem nebo ne.
Je trochu těžké popsat přesný vnitřní proces v takzvaném neutrinolovém rozpadu dvojitého beta, ale můžete si představit, že produkovaná neutrina interagují se sebou, než uniknou reakci. Bez neutrin, tato hypotetická reakce klikne na dva elektrony a nic jiného, čímž porušuje ochranu leptonových čísel, což by narušilo známou fyziku, což by bylo velmi vzrušující. Lov tedy něco takového odhalí, protože první skupině, která to udělá, je zaručena Nobelova cena. V průběhu desetiletí přicházelo a odcházelo mnoho experimentů s trochou štěstí, což znamená, že pokud tento proces existuje v přírodě, musí to být velmi, velmi vzácné.
Jak vzácné? V nedávné práci tým za experimenty s experimentem na vzácných procesech založených na pokročilém molybdenu (AMoRE) zveřejnil své první výsledky. Tento experiment hledá neutrinolový rozpad dvojbety beta pomocí, uhodli jste, hodně molybdenu. A Hádej co? Správně, neviděli žádné rozpady. Vzhledem k velikosti jejich experimentu a době, kterou zaznamenávají, odhadují, že k rozpadům dvojitého beta dochází s poločasem rozpadu nejméně 10 ^ 23 let, což je více než bilionkrát větší než současný věk vesmír.
Jo, vzácně.
Co to znamená? To znamená, že pokud chceme najít novou fyziku tímto směrem, budeme muset kopat a sledovat mnohem víc rozpadů.
Paul M. Sutter je astrofyzik na Státní univerzita v Ohiu, hostitel Zeptejte se Spacemana a Vesmírné rádio, a autor Vaše místo ve vesmíru.
