Превращение одного элемента в другой (обычно золото, конечно) было предметом воспаленных снов и фантастических фантазий для алхимиков еще в те времена. Оказывается, природа делает это все время без какой-либо помощи от нас - хотя обычно не в золото.
Эта естественная алхимия, называемая радиоактивностью, происходит, когда элемент распадается и при этом превращается в другой элемент.
Изучая некоторые из самых редких распадов, мы можем получить подсказку о некоторых из самых фундаментальных элементов физики - физики настолько фундаментальной, что это может быть просто за пределами нашего нынешнего понимания.
Один из этих неуловимых радиоактивных распадов на самом деле никогда не наблюдался, но физики действительно в надежде найти его. Называемый безнейтринным двойным бета-распадом, это означало бы, что радиоактивные элементы выделяют два электрона и ничего больше (даже призрачные, не заряженные, едва присутствующие частицы, известные как нейтрино). Если бы физикам удалось обнаружить этот распад в реальном мире, это нарушило бы одно из фундаментальных правил физики и привело бы к гонке за новыми.
Но плохая новость для поклонников безнейтринного распада двойного бета: один из самых продолжительных экспериментов, недавно опубликованных недавно, не показал ни малейшего намека на этот процесс, а это означает, что если этот процесс единорога действительно происходит, он невероятно редок. И единственный ответ, который у нас есть сейчас, это продолжать копать, скрестив пальцы.
Радиоактивные остатки
Чтобы понять важность безнейтринного двойного бета-распада, нам нужно вернуться назад, к концу 1800-х годов, чтобы понять, что такое радиоактивный распад. Эрнест Резерфорд понял, что существует три вида разложения, которые он назвал альфа, бета и гамма (потому что почему бы и нет).
Каждый из этих распадов приводил к разным видам испускания энергии, и Резерфорд обнаружил, что так называемые «бета-лучи» могут проходить сквозь некоторые металлические листы до остановки. Более поздние эксперименты показали природу этих лучей: они были просто электронами. Таким образом, некоторые химические элементы (скажем, цезий) превращались в другие элементы (например, барий), и в процессе этого они выделяли электроны. Что дает?
Ответ не придет в течение еще нескольких десятилетий, после того, как мы выясним, из чего состоят элементы (крошечные частицы, называемые протонами и нейтронами), из чего состоят протоны и нейтроны (даже более мелкие частицы, называемые кварками) и как эти объекты общаются с каждым другие внутренние атомы (сильные и слабые ядерные силы). Мы узнали, что по какой-то причине нейтрон может однажды принять решение стать протоном и в процессе испустить электрон (некогда названный бета-лучами). Поскольку нейтрон превратился в протон, а количество протонов определяет, какой вы элемент, мы можем почти волшебным образом превращать элементы в другие.
Сохранить лептоны
Чтобы это преобразование произошло, нейтрон должен изменить свою внутреннюю структуру, а его внутренняя структура состоит из более мелких символов, называемых кварками. В частности, нейтрон имеет один «верхний» кварк и два «нисходящих» кварка, а протон имеет обратный - один «нисходящий» кварк и пару «верхних» кварков. Таким образом, чтобы превратить один вид элемента в другой - и производить бета-излучение по пути - нам нужно перевернуть один из этих кварков снизу вверх, и во Вселенной есть только одна сила, способная это осуществить: слабая ядерная сила ,
Фактически, это почти все, что делает слабая сила: она превращает один вид кварка в другой. Таким образом, слабая сила делает свое дело, нижний кварк становится восходящим, нейтрон - протоном, а элемент превращается в другой.
Но физические реакции все о балансе. Взять, к примеру, электрический заряд. Давайте представим, что мы начали с одного нейтрального нейтрона, конечно. В конце мы получаем протон, который заряжен положительно. Это нет-нет, и поэтому необходимо что-то уравновесить: отрицательно заряженный электрон.
И нужно еще одно действие по балансировке: общее количество лептонов должно оставаться неизменным. Лептон - это просто причудливое название для некоторых мельчайших частиц, таких как электроны, а причудливый термин для этого уравновешивающего действия - «сохранение числа лептонов». Как и в случае с электрическим зарядом, мы должны сбалансировать начало и конец истории. В этом случае мы начинаем с нуля лептонов, но заканчиваем одним: электроном.
Что уравновешивает это? В реакции создается еще одна новая частица, антинейтрино, которая считается отрицательной, уравновешивая все.
Кому нужно нейтрино?
Вот поворот: может быть вид бета-распада, который вообще не требует нейтрино. Но не нарушит ли это сохранение важного числа лептонов? Да, да, и было бы здорово.
Иногда два бета-распада могут происходить одновременно, но в основном это два обычных бета-распада, происходящих одновременно в одном и том же атоме, что, хотя и редко, не так уж интересно, выплескивая два электрона и два антинейтрино. Но есть гипотетический двойной бета-распад, который не испускает нейтрино. Этот вид работает, только если нейтрино является собственной античастицей, а это означает, что нейтрино и антинейтрино - это одно и то же. И на нашем текущем уровне знания всех частиц, мы, честно говоря, не знаем, ведет себя ли нейтрино таким образом или нет.
Немного сложно описать точный внутренний процесс в этом так называемом безнейтринном двойном бета-распаде, но вы можете представить, как образуются нейтрино, взаимодействующие друг с другом, прежде чем ускользнуть от реакции. Без нейтрино эта гипотетическая реакция запускает два электрона и ничего больше, следовательно, нарушает сохранение числа лептонов, что нарушило бы известную физику, что было бы очень захватывающе. Следовательно, охота идет на обнаружение чего-то подобного, потому что первой группе, которая сделает это, гарантирован Нобелевский приз. В течение десятилетий многие эксперименты приходили и уходили без особой удачи, а это означает, что если этот процесс существует в природе, он должен быть очень, очень редким.
Как редко? В недавней работе команда разработчиков эксперимента по усовершенствованным редкоземельным процессам на основе молибдена (AMoRE) опубликовала свои первые результаты. Этот эксперимент ищет безнейтринный двойной бета-распад с использованием, как вы уже догадались, большого количества молибдена. И угадай что? Это верно, они не видели никаких разложений. Учитывая размер своего эксперимента и продолжительность записи, они оценивают, что распады двойного бета происходят с периодом полураспада не менее 10 ^ 23 лет, что более чем в триллион раз превышает текущий возраст Вселенная.
Да, редко.
Что это обозначает? Это означает, что если мы хотим найти новую физику в этом направлении, нам придется продолжать копать и наблюдать за большим количеством распадов.
Пол М. Саттер является астрофизиком в Государственный университет Огайо, хозяин Спроси космонавта и Космическое Радиои автор Ваше место во Вселенной.
