Ein Element in ein anderes umzuwandeln (normalerweise natürlich Gold), war für Alchemisten früher das Zeug fieberhafter Träume und phantasievoller Phantasien. Es stellt sich heraus, dass die Natur dies die ganze Zeit ohne unsere Hilfe tut - wenn auch normalerweise nicht in Gold.
Diese natürliche Alchemie, Radioaktivität genannt, tritt auf, wenn ein Element zerfällt und sich dabei in ein anderes Element verwandelt.
Wenn wir einige der seltensten Zerfälle untersuchen, können wir einen Hinweis auf einige der grundlegendsten der Physik erhalten - Physik, die so grundlegend ist, dass sie möglicherweise über unser derzeitiges Verständnis hinausgeht.
Einer dieser schwer fassbaren radioaktiven Zerfälle wurde noch nie gesehen, aber Physiker Ja wirklich in der Hoffnung, es zu finden. Als neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall bezeichnet, würde dies bedeuten, dass radioaktive Elemente zwei Elektronen und nichts anderes ausspucken (nicht einmal gespenstische, ladungslose, kaum vorhandene Teilchen, die als Neutrinos bekannt sind). Wenn es den Physikern gelingt, diesen Zerfall in der realen Welt zu erkennen, würde dies gegen eine der Grundregeln der Physik verstoßen und einen Wettlauf um neue auslösen.
Aber schlechte Nachrichten für Fans des neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfalls: Eines der am längsten laufenden Experimente, das kürzlich veröffentlicht wurde, zeigt keinen Hinweis auf diesen Prozess, was bedeutet, dass dieser Einhornprozess unglaublich selten ist, wenn er auftritt. Und die einzige Antwort, die wir jetzt haben, ist, weiter zu graben und die Daumen zu drücken.
Radioaktive Reste
Um die Bedeutung des neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfalls zu verstehen, müssen wir mehr als ein Jahrhundert bis in die späten 1800er Jahre zurückgehen, um zu verstehen, was radioaktiver Zerfall überhaupt ist. Es war der äußerst geschickte Ernest Rutherford, der herausfand, dass es drei verschiedene Arten von Zerfällen gab, die er Alpha, Beta und Gamma nannte (weil warum nicht).
Jeder dieser Zerfälle führte zu einer anderen Art von Energieemission, und Rutherford stellte fest, dass die sogenannten "Betastrahlen" vor dem Anhalten ziemlich weit durch einige Bleche wandern konnten. Spätere Experimente zeigten die Natur dieser Strahlen: Sie waren nur Elektronen. Einige chemische Elemente (z. B. Cäsium) wandelten sich in andere Elemente (z. B. Barium) um und spuckten dabei Elektronen aus. Was gibt?
Die Antwort würde erst in einigen Jahrzehnten kommen, nachdem wir herausgefunden hatten, woraus Elemente bestehen (winzige Teilchen, die als Protonen und Neutronen bezeichnet werden), aus welchen Protonen und Neutronen sie bestehen (noch winzigere Teilchen, die als Quarks bezeichnet werden) und wie diese Entitäten miteinander sprechen andere innere Atome (die starken und schwachen Kernkräfte). Wir haben gelernt, dass ein Neutron aus einer Laune heraus eines Tages entscheiden kann, ein Proton zu werden und dabei ein Elektron (die einst genannten Betastrahlen) zu emittieren. Da sich das Neutron in ein Proton verwandelt hat und die Anzahl der Protonen bestimmt, welche Art von Element Sie sind, können wir Elemente fast auf magische Weise in andere verwandeln.
Speichern Sie die Leptonen
Um diese Transformation zu ermöglichen, muss das Neutron seine interne Struktur ändern, und seine interne Struktur besteht aus kleineren Zeichen, die als Quarks bezeichnet werden. Insbesondere hat ein Neutron ein "Auf" -Quark und zwei "Ab" -Quarks, während ein Proton das Gegenteil hat - ein einzelnes "Ab" -Quark und ein Paar "Auf" -Quarks. Um also eine Art von Element in eine andere umzuwandeln - und dabei Beta-Strahlung zu erzeugen - müssen wir eines dieser Quarks von unten nach oben drehen, und es gibt nur eine Kraft im Universum, die dazu in der Lage ist: die schwache Kernkraft .
Tatsächlich ist das so ziemlich alles, was die schwache Kraft jemals tut: Sie verwandelt eine Art von Quark in eine andere. Die schwache Kraft macht also ihre Sache, ein Down-Quark wird zu einem Up-Quark, ein Neutron wird zu einem Proton und ein Element verwandelt sich in ein anderes.
Bei körperlichen Reaktionen dreht sich alles um das Gleichgewicht. Nehmen Sie zum Beispiel die elektrische Ladung. Stellen wir uns vor, wir haben mit einem einzigen Neutron begonnen - natürlich neutral. Am Ende erhalten wir ein Proton, das positiv geladen ist. Das ist ein Nein-Nein, und deshalb muss etwas ausgeglichen werden: das negativ geladene Elektron.
Und es ist noch ein Balanceakt erforderlich: Die Gesamtzahl der Leptonen muss gleich bleiben. Lepton ist nur ein ausgefallener Name für einige der kleinsten Teilchen, wie Elektronen, und der ausgefallene Begriff für diesen Balanceakt lautet "Erhaltung der Leptonzahl". Wie bei der elektrischen Ladung müssen wir den Anfang und das Ende der Geschichte ausbalancieren. In diesem Fall beginnen wir mit null Leptonen, enden aber mit einem: dem Elektron.
Was gleicht es aus? Bei der Reaktion entsteht ein weiteres neues Partikel, ein Antineutrino, das als negativ gilt und alles ausgleicht.
Wer braucht ein Neutrino?
Hier ist die Wendung: Es kann eine Art Beta-Zerfall geben, für den überhaupt kein Neutrino erforderlich ist. Aber würde das nicht gegen diese wichtige Erhaltung der Lepton-Zahl verstoßen? Warum, ja, würde es und es wäre großartig.
Manchmal können zwei Beta-Zerfälle gleichzeitig auftreten, aber im Grunde genommen sind es zwei reguläre Beta-Zerfälle, die gleichzeitig innerhalb desselben Atoms stattfinden, was zwar selten ist, aber nicht allzu interessant ist und zwei Elektronen und zwei Antineutrinos ausspuckt. Aber es gibt einen hypothetischen Doppel-Beta-Zerfall, der keine Neutrinos emittiert. Diese Art funktioniert nur, wenn das Neutrino ein eigenes Antiteilchen ist, was bedeutet, dass das Neutrino und das Antineutrino genau dasselbe sind. Und bei unserem derzeitigen Kenntnisstand über alle Teilchen wissen wir ehrlich gesagt nicht, ob sich das Neutrino so verhält oder nicht.
Es ist ein wenig schwierig, den genauen internen Prozess in diesem sogenannten neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall zu beschreiben, aber Sie können sich vorstellen, dass die produzierten Neutrinos mit sich selbst interagieren, bevor sie der Reaktion entkommen. Ohne Neutrinos kurbelt diese hypothetische Reaktion zwei Elektronen und nichts anderes aus und verletzt damit die Erhaltung der Leptonzahl, was die bekannte Physik brechen würde, was sehr aufregend wäre. Daher ist die Jagd auf so etwas im Gange, denn der ersten Gruppe, die dies tut, wird ein Nobelpreis garantiert. Im Laufe der Jahrzehnte sind viele Experimente mit wenig Glück gekommen und gegangen, was bedeutet, dass dieser Prozess, wenn er in der Natur existiert, sehr, sehr selten sein muss.
Wie selten? In einem kürzlich erschienenen Artikel veröffentlichte das Team des Advanced Molybdenum-basierten Rare Process Experiment (AMoRE) seine ersten Ergebnisse. Dieses Experiment sucht nach neutralem Doppel-Beta-Zerfall unter Verwendung von viel Molybdän. Und rate was? Das stimmt, sie haben keine Zerfälle gesehen. Angesichts der Größe ihres Experiments und der Zeitdauer, die sie aufgezeichnet haben, schätzen sie, dass die Doppel-Beta-Zerfälle mit einer Halbwertszeit von nicht weniger als 10 ^ 23 Jahren auftreten, was mehr als einer Billion Mal dem aktuellen Alter von entspricht das Universum.
Ja, selten.
Was bedeutet das? Das heißt, wenn wir neue Physik in diese Richtung finden wollen, müssen wir weiter graben und noch viel mehr Zerfälle beobachten.
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradiound Autor von Dein Platz im Universum.
