Превращение одного элемента в другой (обычно золото , конечно) было предметом воспаленных снов и фантастических фантазий для алхимиков еще в далекие 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 надеются его найти. 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 физикам удастся обнаружить этот распад в реальном мире, это нарушит одно из фундаментальных правил физики и вызовет новые споры.
Но плохая новость для поклонников безнейтринного распада двойного бета-излучения: один из самых продолжительных экспериментов, недавно опубликованных за последние годы, не показал ни малейшего намека на этот процесс, а это означает, что если этот процесс с "единорогом" происходит, он невероятно редок. И единственный ответ, который у нас есть сейчас, это продолжать искать, 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 разных типа распадов, 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. 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 это дает?
Ответ не придет в течение еще нескольких десятилетий, даже если 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 другим внутренним атомом (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, у нейтрона есть один «верхний» кварк и два «нисходящих» кварка, а у протона есть обратный - один «нисходящий» кварк и пара «восходящих» 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 находятся в 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 нельзя так оставить, и поэтому необходим это чем-то уравновесить: отрицательно заряженным электроном .
И нужен еще один баланс: 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 это поворот: оказывается, существует вид бета-распада, который вообще не требует нейтрино. Но не нарушит ли это сохранение важного числа лептонов? Да, было бы здорово.
Иногда два бета-распада могут происходить одновременно, но это в основном два регулярных 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, исследование ведется 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 статье группа разработчиков Advanced Rare process Experiment (AMoRE) на основе своих исследований опубликовала свои первые результаты. Этот эксперимент ищет безнейтринный двойной бета-распад с использованием, как вы уже догадались, большого количества молибдена. И угадай что? Правильно, они не видели распада. Учитывая масштаб 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 значит? Это означает, что если мы хотим найти "новую физику" в этом направлении, нам придется продолжать копать и наблюдать за большим количеством распадов.
