Att överföra ett element till ett annat (vanligtvis guld, naturligtvis) var saker av föda drömmar och fantasifulla fantasi för alkemister långt tillbaka på dagen. Det visar sig att naturen gör det hela tiden utan någon hjälp från oss - dock vanligtvis inte till guld.
Denna naturliga alkymi, kallad radioaktivitet, händer när ett element sönderfaller och därmed förvandlas till ett annat element.
Genom att studera några av de sällsynta sönderfallen kan vi få en antydning till några av de mest grundläggande i fysiken - fysik så grundläggande, det kan bara vara utanför vår nuvarande förståelse.
En av dessa svårfångade radioaktiva sönderfall har aldrig faktiskt sett, men fysiker är det verkligen hoppas på att hitta det. Kallas neutrinolös dubbel-beta-sönderfall, det skulle innebära att radioaktiva element spottar ut två elektroner och inget annat (inte ens spöklika, laddningsbara, knappt-där-partiklar kända som neutrino). Om fysiker lyckas upptäcka detta förfall i den verkliga världen skulle det bryta mot en av de grundläggande reglerna för fysik och driva ett lopp för att hitta nya.
Men dåliga nyheter för fans av neutrinolös dubbel-beta-sönderfall: Ett av de längstgående experimenten som nyligen publicerats, visar inga ledtrådar om denna process, vilket innebär att om denna enhörningsprocess inträffar är det oerhört sällsynt. Och det enda svaret vi har just nu är att fortsätta gräva, hålla fingrarna korsade.
Radioaktiva rester
För att förstå vikten av neutrinolös dubbel-beta-sönderfall måste vi gå tillbaka mer än ett sekel, till slutet av 1800-talet, för att förstå vad radioaktivt förfall är i första hand. Det var den singularly skickliga Ernest Rutherford som räknade ut att det fanns tre olika slags förfall, som han kallade alfa, beta och gamma (för varför inte).
Var och en av dessa sönderfall ledde till en annan typ av energiutsläpp, och Rutherford fann att de så kallade "beta-strålarna" kunde färdas ganska långt genom några metallplåtar innan de stannade. Senare experiment avslöjade arten av dessa strålar: De var bara elektroner. Så några kemiska element (säg cesium) förvandlade sig till andra element (säger, barium), och under processen spottade de ut elektroner. Vad ger?
Svaret skulle inte komma på ytterligare några decennier, efter att vi räknat ut vilka element som är gjorda av (små partiklar som kallas protoner och neutroner), vilka protoner och neutroner är gjorda av (till och med tunnare partiklar som kallas kvarkar) och hur dessa enheter pratar med var och en andra inre atomer (de starka och svaga kärnkrafterna). Vi lärde oss att en neutron en dag kan bestämma sig för att bli en proton och i processen avge en elektron (de en gång kallade betastrålarna). Eftersom neutronen förändrats till en proton, och antalet protoner avgör vilken typ av element du är, kan vi nästan magiskt få element som förvandlas till andra.
Rädda leptonerna
För att få denna omvandling att ske måste neutronen ändra sin inre struktur, och dess inre struktur består av mindre karaktärer som kallas kvarkar. I synnerhet har en neutron ett "upp" -kvark och två "ner" -kvarkar medan en proton har det omvända - ett enda "ner" -kvark och ett par "upp" -kvarkar. Så för att förändra en typ av element till en annan - och göra betastrålning, på vägen - måste vi vända en av dessa kvarkar från ner till upp, och det finns bara en kraft i universum som kan göra det: den svaga kärnkraften .
Faktum är att det är ganska mycket all den svaga kraften någonsin gör: Den förvandlar en typ av kvark till en annan. Så den svaga kraften gör sin sak, en ner kvark blir en upp kvark, en neutron blir en proton och ett element förändras till ett annat.
Men fysiska reaktioner handlar om balans. Ta till exempel den elektriska laddningen. Låt oss föreställa oss att vi började med en enda neutron - naturligtvis neutral. I slutet får vi en proton, som är positivt laddad. Det är ett nej och så måste något balansera det: den negativt laddade elektron.
Och det finns en annan balansåtgärd som krävs: det totala antalet leptoner måste förbli detsamma. Lepton är bara ett fint namn för några av de minsta partiklarna, som elektroner, och den fancy termen för denna balanseringsakt är "bevaring av leptonnummer." Liksom med den elektriska laddningen måste vi balansera historiens början och slut. I detta fall börjar vi med noll leptoner men slutar med en: elektronen.
Vad balanserar det? En annan ny partikel skapas i reaktionen, en antineutrino, som räknas som en negativ, balanserar allt ut.
Vem behöver en neutrino?
Här är twist: Det kan finnas ett slags beta-förfall som inte kräver någon neutrino alls. Men skulle det inte kränka detta all viktiga bevarande av leptonnummer? Varför, ja, det skulle och det skulle vara fantastiskt.
Ibland kan två beta-sönderfall hända på en gång, men det är i grund och botten två vanliga beta-sönderfall som sker samtidigt inom samma atom, som även om det är sällsynt inte är så intressant, och spottar ut två elektroner och två antineutrino. Men det finns en hypotetisk dubbel beta-sönderfall som inte avger några neutrino. Den här typen fungerar bara om neutrino är dess egen antipartikel, vilket innebär att neutrino och antineutrino är exakt samma sak. Och på vår nuvarande nivå av kunskap om alla partiklar, vet vi ärligt talat inte om neutrinoen uppför sig på detta sätt eller inte.
Det är lite svårt att beskriva den exakta interna processen i denna så kallade neutrinoless dubbel-beta-sönderfall, men du kan föreställa dig de producerade neutrinerna som interagerar med sig själva innan du undgår reaktionen. Utan neutrinoer släpper denna hypotetiska reaktion ut två elektroner och inget annat, och därmed kränker bevarandet av leptonnumret, vilket skulle bryta känd fysik, vilket skulle vara mycket spännande. Därför är jakten på att upptäcka något liknande, eftersom den första gruppen som gör det garanteras ett Nobelpris. Under årtiondena har många experiment kommit och gått med lite tur, vilket innebär att om denna process existerar i naturen måste den vara mycket, mycket sällsynt.
Hur sällsynt? I ett nyligen uppsats släppte teamet bakom Advanced Molybdenum-baserat sällsynt processexperiment (AMoRE) sina första resultat. Detta experiment söker efter neutrinoless dubbel-beta-förfall genom att, antar du, mycket molybden. Och gissa vad? Det stämmer, de såg inga förfall. Med tanke på storleken på deras experiment och hur lång tid de har inspelat, uppskattar de att dubbel-beta-sönderfallet inträffar med en halveringstid på inte mindre än 10 ^ 23 år, vilket är mer än en biljon gånger den nuvarande åldern för universum.
Ja, sällsynt.
Vad betyder det? Det betyder att om vi vill hitta ny fysik i denna riktning, måste vi fortsätta gräva och fortsätta att titta på en hel del fler förfall.
Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av Fråga en Spaceman och Space Radio, och författare till Din plats i universum.
