Chuyển đổi một yếu tố này sang yếu tố khác (dĩ nhiên là vàng) là thứ của những giấc mơ gây sốt và trí tưởng tượng huyền ảo cho các nhà giả kim quay trở lại trong ngày. Nó chỉ ra rằng thiên nhiên làm điều đó mọi lúc mà không cần bất kỳ sự giúp đỡ nào từ chúng tôi - mặc dù không thường thành vàng.
Giả kim thuật tự nhiên này, được gọi là phóng xạ, xảy ra khi một nguyên tố phân rã và khi làm như vậy biến thành một nguyên tố khác.
Bằng cách nghiên cứu một số phân rã hiếm nhất, chúng ta có thể nhận được một gợi ý về một số cơ bản nhất của vật lý - vật lý rất cơ bản, nó có thể vượt quá sự hiểu biết hiện tại của chúng ta.
Một trong những phân rã phóng xạ khó nắm bắt này chưa bao giờ được nhìn thấy, nhưng các nhà vật lý thì có thật không hy vọng tìm thấy nó. Được gọi là phân rã beta kép neutrinoless, điều đó có nghĩa là các nguyên tố phóng xạ phun ra hai electron và không có gì khác (thậm chí không phải là các hạt ma quái, không có điện tích, hầu như không có tên là neutrino). Nếu các nhà vật lý quản lý để phát hiện ra sự phân rã này trong thế giới thực, nó sẽ vi phạm một trong những quy tắc cơ bản của vật lý và thúc đẩy một cuộc đua tìm ra cái mới.
Nhưng tin xấu cho những người hâm mộ phân rã beta-neutrinoless: Một trong những thí nghiệm dài nhất được công bố gần đây cho thấy không có gợi ý nào về quá trình này, có nghĩa là nếu quá trình kỳ lân này xảy ra, thì cực kỳ hiếm. Và câu trả lời duy nhất chúng ta có ngay bây giờ là tiếp tục đào, giữ ngón tay của chúng ta vượt qua.
Thức ăn thừa phóng xạ
Để hiểu được tầm quan trọng của sự phân rã beta-neutrinoless kép, chúng ta phải quay trở lại hơn một thế kỷ, đến cuối những năm 1800, để hiểu được sự phân rã phóng xạ ở nơi đầu tiên. Chính Ernest Rutherford đã khéo léo tìm ra rằng có ba loại phân rã khác nhau, mà ông gọi là alpha, beta và gamma (vì tại sao không).
Mỗi phân rã này dẫn đến một loại năng lượng phát ra khác nhau, và Rutherford nhận thấy rằng cái gọi là "tia beta" có thể truyền đi khá nhiều cách qua một số tấm kim loại trước khi dừng lại. Các thí nghiệm sau đó đã tiết lộ bản chất của các tia này: Chúng chỉ là các electron. Vì vậy, một số nguyên tố hóa học (giả sử, Caesium) đã tự biến đổi thành các nguyên tố khác (giả sử là bari), và trong quá trình chúng đã phun ra các electron. Đưa cái gì?
Câu trả lời sẽ không xuất hiện trong vài thập kỷ nữa, sau khi chúng tôi tìm ra các nguyên tố được tạo thành (các hạt nhỏ gọi là proton và neutron), proton và neutron nào được tạo ra (thậm chí các hạt nhỏ hơn gọi là quark) và cách các thực thể này nói chuyện với nhau các nguyên tử khác bên trong (lực hạt nhân mạnh và yếu). Chúng tôi đã học được rằng, trong một ý thích bất chợt, một ngày nào đó neutron có thể quyết định trở thành một proton và, trong quá trình đó, phát ra một điện tử (các tia beta được đặt tên một lần). Bởi vì neutron biến đổi thành một proton và số lượng proton quyết định bạn thuộc loại nguyên tố nào, chúng ta gần như có thể có được các nguyên tố biến đổi thành các nguyên tố khác.
Lưu lepton
Để thực hiện quá trình biến đổi này, neutron phải thay đổi cấu trúc bên trong của nó và cấu trúc bên trong của nó được tạo thành từ các ký tự nhỏ hơn gọi là quark. Cụ thể, một neutron có một quark "lên" và hai quark "xuống" trong khi một proton có mặt trái - một quark "xuống" và một cặp quark "lên". Vì vậy, để thay đổi một loại nguyên tố này thành một nguyên tố khác - và tạo ra bức xạ beta, trên đường đi - chúng ta cần lật một trong số các hạt quark này từ trên xuống và chỉ có một lực trong vũ trụ có khả năng biến điều đó thành: lực hạt nhân yếu .
Trên thực tế, đó là khá nhiều tất cả các lực yếu từng làm: Nó biến đổi một loại quark thành một loại quark khác. Vì vậy, lực yếu làm việc của nó, một quark xuống trở thành một quark lên, neutron trở thành một proton và một nguyên tố thay đổi thành một nguyên tố khác.
Nhưng phản ứng vật lý là tất cả về sự cân bằng. Lấy ví dụ, điện tích. Hãy tưởng tượng chúng ta bắt đầu với một neutron duy nhất - trung tính, tất nhiên. Cuối cùng, chúng ta nhận được một proton, được tích điện dương. Đó là điều không nên, và vì vậy một thứ cần phải cân bằng nó: electron tích điện âm.
Và có một hành động cân bằng khác cần thiết: tổng số lepton phải giữ nguyên. Lepton chỉ là một cái tên lạ mắt cho một số hạt nhỏ nhất, như điện tử, và thuật ngữ ưa thích cho hành động cân bằng này là "bảo tồn số lepton". Như với điện tích, chúng ta phải cân bằng giữa bắt đầu và kết thúc câu chuyện. Trong trường hợp này, chúng ta bắt đầu với các lepton bằng 0 nhưng kết thúc bằng một: electron.
Những gì cân bằng nó? Một hạt mới khác được tạo ra trong phản ứng, một antineutrino, được tính là âm tính, cân bằng mọi thứ.
Ai cần neutrino?
Đây là khuynh hướng: Có thể có một loại phân rã beta không yêu cầu neutrino nào cả. Nhưng điều đó có vi phạm bảo tồn số lepton quan trọng này không? Tại sao, vâng, nó sẽ, và nó sẽ là tuyệt vời.
Đôi khi hai phân rã beta có thể xảy ra cùng một lúc, nhưng về cơ bản, hai phân rã beta thông thường xảy ra đồng thời trong cùng một nguyên tử, trong khi hiếm khi đó không thú vị lắm, phun ra hai electron và hai phản neutrino. Nhưng có một phân rã beta kép giả thuyết không phát ra neutrino. Loại này chỉ hoạt động nếu neutrino là phản hạt của chính nó, có nghĩa là neutrino và antineutrino là cùng một thứ. Và ở cấp độ kiến thức hiện tại của chúng ta về tất cả các hạt, chúng ta thực sự không biết liệu neutrino có hành xử theo cách này hay không.
Thật khó để mô tả quá trình nội bộ chính xác trong cái gọi là phân rã beta kép neutrinoless, nhưng bạn có thể tưởng tượng các neutrino được tạo ra tương tác với chính chúng trước khi thoát khỏi phản ứng. Không có neutrino, phản ứng giả thuyết này tạo ra hai electron và không có gì khác, do đó vi phạm bảo tồn số lepton, sẽ phá vỡ vật lý đã biết, sẽ rất thú vị. Do đó, cuộc săn lùng là để phát hiện điều gì đó như thế này, bởi vì nhóm đầu tiên thực hiện nó được đảm bảo một giải thưởng Nobel. Trong nhiều thập kỷ, nhiều thí nghiệm đã đến và đi với rất ít may mắn, có nghĩa là nếu quá trình này tồn tại trong tự nhiên thì nó phải rất, rất hiếm.
Làm thế nào hiếm? Trong một bài báo gần đây, nhóm nghiên cứu đằng sau Thử nghiệm quy trình hiếm (AMoRE) dựa trên Molybdenum đã công bố kết quả đầu tiên của họ. Thí nghiệm này tìm kiếm sự phân rã beta kép trung tính bằng cách sử dụng, bạn đoán nó, rất nhiều molypden. Và đoán xem? Đúng vậy, họ đã không thấy bất kỳ sự phân rã nào. Dựa trên quy mô thử nghiệm của họ và thời gian ghi lại, họ ước tính rằng các phân rã beta kép xảy ra với chu kỳ bán rã không dưới 10 ^ 23 năm, gấp hơn một nghìn tỷ lần so với tuổi hiện tại vũ trụ.
Vâng, hiếm.
Điều đó nghĩa là gì? Điều đó có nghĩa là nếu chúng ta muốn tìm vật lý mới theo hướng này, chúng ta sẽ phải tiếp tục đào và tiếp tục theo dõi nhiều phân rã hơn nữa.
Paul M. Sutter là một nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio, máy chủ của Hỏi một người không gian và Đài phát thanh không gianvà tác giả của Vị trí của bạn trong vũ trụ.
