Viena elementa pārvēršana citā (parasti, protams, zeltā) bija sapludinātu sapņu un izdomātu alķīmiķu iztēles atgriezeniskā saikne dienas laikā. Izrādās, ka daba to visu laiku dara bez jebkādas mūsu palīdzības - lai arī parasti ne zeltā.
Šī dabiskā alķīmija, ko sauc par radioaktivitāti, notiek, kad elements sabrūk un, to darot, pārvēršas citā elementā.
Izpētot dažus no retākajiem pagrimumiem, mēs varam iegūt mājienu par dažiem no fizikas pamatjēdzieniem - fiziku, kas ir tik fundamentāla, ka tā varētu vienkārši pārsniegt mūsu pašreizējo izpratni.
Viens no šiem nenotveramajiem radioaktīvajiem sabrukumiem patiesībā nekad nav bijis redzams, bet fiziķi ir tiešām cerot to atrast. Saukta par neitrīno divkāršo beta-sabrukšanu, tas nozīmētu, ka radioaktīvie elementi izspiež divus elektronus un neko citu (pat ne spokainas, bez lādiņa, tikko tur esošas daļiņas, kas pazīstamas kā neitrīni). Ja fiziķiem izdodas pamanīt šo pagrimumu reālajā pasaulē, tas pārkāpj vienu no fizikas pamatnoteikumiem un veicina sacīkstes atrast jaunus.
Bet sliktas ziņas neitrīno divkāršās beta beta samazināšanas faniem: Viens no visilgāk eksperimentētajiem nesen publicētajiem rezultātiem neuzrāda mājienu par šo procesu, tas nozīmē, ka, ja šis vienradzis notiek, tas ir neticami reti. Un vienīgā atbilde, kas mums šobrīd ir, ir turpināt rakt, turot mūsu sakrustotos pirkstus.
Radioaktīvie pārpalikumi
Lai saprastu neitrīno divkāršās beta beta sabrukšanas nozīmi, mums ir jāatgriežas vairāk nekā gadsimtu atpakaļ uz 1800. gadu beigām, lai saprastu, kas vispirms ir radioaktīvā sabrukšana. Tieši izveicīgs Ernests Rūterfords izdomāja, ka pastāv trīs dažādi sabrukšanas veidi, kurus viņš sauca par alfa, beta un gamma (jo kāpēc gan ne).
Katrs no šiem pagrimumiem izraisīja atšķirīgu enerģijas izstarošanu, un Rutherfords atklāja, ka tā saucamie "beta stari" pirms apstāšanās var diezgan daudz iziet cauri dažām metāla loksnēm. Vēlākie eksperimenti atklāja šo staru raksturu: Tie bija tikai elektroni. Tātad daži ķīmiskie elementi (teiksim, cēzijs) pārveidojās par citiem elementiem (teiksim, bāriju), un šajā procesā viņi izspļāva elektronus. Ko dod?
Atbilde nenāks vēl dažas desmitgades, kad mēs būsim izdomājuši, no kādiem elementiem tiek izgatavoti (sīkas daļiņas, ko sauc par protoniem un neitroniem), no kādiem protoniem un neitroniem tiek veidoti (pat no sīkākām daļiņām, ko sauc par kvarkiem) un kā šīs entītijas runā ar katru no tām citi atomu iekšējie elementi (spēcīgie un vājie kodolieroči). Mēs uzzinājām, ka kaprīzu dēļ neitrons kādu dienu var izlemt kļūt par protonu un procesa laikā izstarot elektronu (savulaik nosauktos beta starus). Tā kā neitrons mainījās uz protonu, un protonu skaits nosaka, kāda veida elements jūs esat, mēs gandrīz maģiski varam iegūt elementus, pārveidojot tos citos.
Saglabājiet leptonus
Lai šī transformācija notiktu, neitronam ir jāmaina tā iekšējā struktūra, un tā iekšējā struktūra ir veidota no mazākām rakstzīmēm, ko sauc par kvarkiem. Konkrēti, neitronam ir viens "augšu" un divi "uz leju" kvarki, savukārt protonam ir apgriezti - viens "uz leju" un viens "uz". Tātad, lai mainītu viena veida elementus uz citiem - un viscaur veidotu beta starojumu - mums viens no šiem kvarkiem jāpārvieto no augšas uz leju, un Visumā ir tikai viens spēks, kas to spēj izraisīt: vājš kodolspēks .
Faktiski tas ir diezgan daudz visu vājo spēku, kāds jebkad notiek: Tas pārveido viena veida kvarku citā. Tātad vājš spēks dara savu lietu, lejupvērstais kvarks kļūst par augošo kvarku, neitrons kļūst par protonu, un elements mainās citā.
Bet fiziskās reakcijas ir saistītas ar līdzsvaru. Ņem, piemēram, elektrisko lādiņu. Iedomāsimies, ka mēs sākām ar vienu neitronu - protams, neitrālu. Beigās mēs iegūstam protonu, kas ir pozitīvi uzlādēts. Tas ir nē, un tāpēc kaut kas jābalansē: negatīvi lādēts elektrons.
Ir vajadzīgs vēl viens līdzsvarošanas akts: kopējam leptonu skaitam jāpaliek nemainīgam. Leptons ir tikai iedomāts nosaukums dažām sīkākajām daļiņām, piemēram, elektroniem, un šī līdzsvarošanas akta izdomātais termins ir “leptona skaitļa saglabāšana”. Tāpat kā ar elektrisko lādiņu, mums ir jāsabalansē stāsta sākums un beigas. Šajā gadījumā mēs sākam ar nulles leptoniem, bet beidzam ar vienu: elektronu.
Kas to līdzsvaro? Reakcijā tiek izveidota vēl viena jauna daļiņa - antineutrino, kas skaitās negatīvs, līdzsvarojot visu.
Kam vajadzīgs neitrīns?
Lūk, vērpjot: Var būt sava veida beta sabrukšana, kurai vispār nav nepieciešams neitrīns. Bet vai tas nepārkāps visu tik svarīgo leptona numuru saglabāšanu? Kāpēc, jā, tas tā būtu, un tas būtu satriecoši.
Dažreiz var notikt divas beta beta sabrukšanas, bet tas būtībā ir divas regulāras beta sabrukšanas, kas notiek vienlaikus tajā pašā atomā, kas, lai arī reti, nav tik interesants, izspļauj divus elektronus un divus antineutrinos. Bet tur ir hipotētiska dubultā beta sabrukšana, kas neizstaro neitrīnus. Šis veids darbojas tikai tad, ja neitrīno ir tā paša daļiņa, kas nozīmē, ka neitrīno un antineutrino ir tieši tas pats. Un pašreizējā zināšanu līmenī par visām daļiņām mēs godīgi nezinām, vai neitrīns rīkojas šādi.
Ir nedaudz grūti aprakstīt precīzu iekšējo procesu šajā tā dēvētajā neitrīno divkāršās beta beta sabrukšanas laikā, taču pirms izbēgšanas no reakcijas, jūs varat iedomāties, ka saražotie neitrīni mijiedarbojas ar sevi. Bez neitrīniem šī hipotētiskā reakcija izspiež divus elektronus un neko citu, tādējādi pārkāpjot leptona skaitļa saglabāšanu, kas sagrautu zināmo fiziku, kas būtu ļoti aizraujoši. Tāpēc medības notiek, lai atklātu kaut ko līdzīgu, jo pirmajai grupai, kas to veic, tiek garantēta Nobela prēmija. Gadu desmitos daudzi eksperimenti ir nākuši un gājuši ar nelielu veiksmi, kas nozīmē, ka, ja šis process pastāv dabā, tam jābūt ļoti, ļoti reti.
Cik reti? Nesenā rakstā komanda, kas balstījās uz uzlabotā molibdēna bāzes reto procesu eksperimentu (AMoRE), publiskoja savus pirmos rezultātus. Šajā eksperimentā tiek meklēta neitrīno divkāršās beta beta sabrukšana, izmantojot, jūs uzminējāt, daudz molibdēna. Un uzmini ko? Pareizi, viņi neredzēja samazinājumu. Ņemot vērā viņu eksperimenta lielumu un ierakstītā laika ilgumu, viņi lēš, ka divkāršās beta beta sadalīšanās notiek ar pussabrukšanas periodu, kas nav mazāks par 10 ^ 23 gadiem, kas ir vairāk nekā triljons reizes lielāks par pašreizējo vecumu. Visums.
Jā, reti.
Ko tas nozīmē? Tas nozīmē, ka, ja mēs vēlamies atrast jaunu fiziku šajā virzienā, mums būs jāturpina rakt un jāturpina skatīties daudz vairāk pagrimumu.
Pols M. Sutters ir astrofiziķis plkst Ohaio štata universitāte, Jautājiet kosmosa darbiniekam un Kosmosa radio, un autors Tava vieta Visumā.
