העברת אלמנט אחד לאחר (בדרך כלל זהב, כמובן) היו דברים של חלומות קדחתניים ודמיונות מפוארים עבור האלכימאים כבר היום. מסתבר שהטבע עושה את זה כל הזמן בלי עזרה מאיתנו - אם כי בדרך כלל לא לזהב.
האלכימיה הטבעית הזו, הנקראת רדיואקטיביות, מתרחשת כאשר אלמנט מתפורר ובכך הופך ליסוד אחר.
על ידי לימוד כמה מהירידות הנדירות ביותר, אנו יכולים לקבל רמז לכמה מהיסודות הפיזיקליים ביותר - פיזיקה כל כך מהותית, זה עשוי להיות מעבר להבנתנו הנוכחית.
אחת מההתנשקות הרדיואקטיבית החמקמקה האלה מעולם לא נראתה למעשה, אבל פיזיקאים כן באמת בתקווה למצוא אותו. מכונה התפרקות נטראולינלית כפולה-בטא, פירוש הדבר שגורמים רדיואקטיביים יורקים שני אלקטרונים ושום דבר אחר (אפילו לא חלקיקים רפאים, חסרי טעינה, ובקושי יש שם המכונים נייטרינים). אם פיזיקאים מצליחים לאתר את הריקבון הזה בעולם האמיתי, זה היה מפר את אחד מכללי היסוד של הפיזיקה ומניע את המירוץ למצוא חדשים.
אבל חדשות רעות עבור אוהדי התפרקות נטרולינית ללא ביטא דו-ביתא: אחד הניסויים שנערך לאחרונה עם התוצאות שפורסמו לאחרונה לא מראים שום רמז לתהליך זה, כלומר אם תהליך חד-קרן זה אכן מתרחש, הוא נדיר להפליא. והתשובה היחידה שיש לנו כרגע היא להמשיך לחפור, לשמור על האצבעות שלובות.
שאריות רדיואקטיביות
כדי להבין את החשיבות של ריקבון כפול-בטא נטרולינולי, עלינו לחזור למעלה ממאה שנים, עד סוף 1800, כדי להבין מהי ההתפרקות הרדיואקטיבית מלכתחילה. זה היה ארנסט רות'רפורד, המיומן באופן יחיד, שהבין שישנם שלושה סוגים שונים של ריקבולים, אותם כינה אלפא, בטא וגמא (כי למה לא).
כל אחת מההתמקעות הביאה לפליטת אנרגיה מסוג אחר, ורותרפורד גילה שמה שמכונה "קרני בטא" יכולות לעבור דרכים לא מעטות דרך כמה יריעות מתכת לפני שהם נעצרים. ניסויים מאוחרים חשפו את טבעם של קרניים אלה: הם היו רק אלקטרונים. אז כמה יסודות כימיים (נניח, צזיום) הפכו את עצמם לאלמנטים אחרים (נניח, בריום), ובתוך כך הם ירקו אלקטרונים. מה נותן?
התשובה לא הייתה מגיעה לעוד כמה עשורים, לאחר שנמצא לנו להבין מהם המרכיבים (חלקיקים זעירים הנקראים פרוטונים ונויטרונים), מהם עשויים הפרוטונים והנויטרונים (אפילו חלקיקים זעירים יותר הנקראים קווארקים) ואיך ישויות אלה מדברות עם כל אחד אחרים בתוך אטומים (הכוחות הגרעיניים החזקים והחלשים). למדנו שבגחמה, נויטרון יכול יום אחד להחליט להפוך לפרוטון ותוך כדי כך לפלוט אלקטרון (קרני הבטא שנקראו בעבר). מכיוון שהנויטרון התחלף לפרוטון, ומספר הפרוטונים קובע איזה סוג של אלמנט אתה, אנו יכולים כמעט לגרום קסם לאלמנטים להפוך לאחרים.
שמור את הלפטונים
כדי לגרום לשינוי זה לקרות, על הנייטרון לשנות את המבנה הפנימי שלו, והמבנה הפנימי שלו מורכב מתווים קטנים יותר הנקראים קווארקים. בפרט, לנויטרון יש קווארק אחד "למעלה" ושני קווארקים "כלפי מטה" ואילו לפרוטון יש את ההפך - קווארק "למטה" יחיד וזוג קווארקים "למעלה". אז כדי לשנות סוג אחד של אלמנט לאחר - ולהפוך את קרינת בטא לאורך הדרך, עלינו להעביר את אחד הקווארקים האלה מלמטה למעלה, ויש רק כוח אחד ביקום המסוגל לגרום לזה לקרות: הכוח הגרעיני החלש .
למעשה, זה כמעט כל מה שהכוח החלש עושה אי פעם: הוא הופך סוג של קווארק לסוג אחר. אז הכוח החלש עושה את שלו, קווארק מטה הופך לקווארק למעלה, נויטרון הופך לפרוטון, ואלמנט משתנה לאחר.
אבל התגובות הגופניות כולן קשורות לאיזון. קח, למשל, את המטען החשמלי. בואו נדמיין שהתחלנו עם נייטרון יחיד - ניטרלי, כמובן. בסוף אנחנו מקבלים פרוטון, שהוא טעון בחיוב. זה לא-לא, ולכן משהו צריך לאזן אותו: האלקטרון בעל הטען השלילי.
ויש צורך במעשה איזון נוסף: המספר הכולל של הלפטונים חייב להישאר זהה. לפטון הוא רק שם מפואר עבור חלק מהחלקיקים הזעירים ביותר, כמו אלקטרונים, והמונח המפואר של מעשה איזון זה הוא "שימור מספר לפטון." כמו במטען החשמלי, עלינו לאזן את תחילת הסיפור ואת סיומו. במקרה זה, אנו מתחילים עם אפס לפטונים אך מסתיימים באחד: האלקטרון.
מה מאזן את זה? חלקיק חדש נוסף נוצר בתגובה, אנטי-נוטרינו, שנחשב כשלילי, מאזן את הכל החוצה.
מי צריך נייטרינו?
הנה הטוויסט: יתכן שיש סוג של ריקבון בטא שאינו דורש נייטרינו כלל. אך האם זה לא יפר את שימור מספר הלפטונים החשוב כל כך? למה, כן, זה היה וזה יהיה מדהים.
לפעמים שני דעיכה של בטא יכולים להתרחש בבת אחת, אך למעשה מדובר בשני דעיכה של בטא רגילה המתרחשים בו זמנית באותו אטום, שלמרות שנדיר הוא לא כל כך מעניין, ויורה שני אלקטרונים ושני אנטי-ווטרינו. אבל יש ריקבון בטא כפול היפותטי שאינו פולט נייטרינים. סוג זה פועל רק אם הנייטרינו הוא אנטי-חלקיק משלו, מה שאומר שהנייטרינו והאנטי-נרינו הם אותו הדבר בדיוק. וברמת הידע הנוכחית שלנו על כל חלקיקי הדברים, אנחנו באמת לא יודעים אם הנייטרינו מתנהג כך או לא.
קצת קשה לתאר את התהליך הפנימי המדויק בדעיכה זו כביכול נטרולינלית כפולה-בטא, אבל אתה יכול לדמיין את הנייטרינים המיוצרים אינטראקציה עם עצמם לפני שאתה בורח מהתגובה. ללא נייטרינים, התגובה ההיפותטית הזו גוררת שני אלקטרונים ותו לא, ומכאן שמפרת את שימור מספר הלפטון, דבר שישבור את הפיזיקה הידועה, דבר שיהיה מרגש מאוד. מכאן, שהציד ממשיך לגלות משהו כזה, מכיוון שהקבוצה הראשונה שעושה זאת מובטחת בפרס נובל. במהלך העשורים ניסויים רבים באו ונעלמו במעט מזל, כלומר אם תהליך זה קיים בטבע הוא חייב להיות מאוד מאוד נדיר.
כמה נדיר? בעיתון שפורסם לאחרונה הצוות שעומד מאחורי Advanced Molebdenum Based Process Experiment (AMoRE) פרסם את התוצאות הראשונות שלהם. ניסוי זה מחפש ריקבון כפול בטא דו-חמצני באמצעות, ניחשתם נכון, הרבה מוליבדן. ונחש מה? נכון, הם לא ראו שום דעיכה. בהתחשב בגודל הניסוי ובאורך הזמן שהם הקליטו, הם מעריכים כי דעיכת הבטא הכפולה מתרחשת עם מחצית חיים של לא פחות מ- 10 ^ 23 שנים, שהם יותר מטריליון פי הגיל הנוכחי של היקום.
כן, נדיר.
מה זה אומר? המשמעות היא שאם אנו רוצים למצוא פיסיקה חדשה בכיוון זה, אנו נצטרך להמשיך לחפור ולהמשיך לצפות בהרבה יותר דעיונות.
פול מ. סוטר הוא אסטרופיסיקאי ב אוניברסיטת מדינת אוהיו, מארח של תשאל איש חלל ו רדיו שטח, ומחבר מקומך ביקום.
