De zoektocht naar een van de meest ongrijpbare deeltjesverval in het heelal

Het omzetten van het ene element in het andere (meestal natuurlijk goud) was het spul van koortsachtige dromen en fantasievolle verbeeldingen voor alchemisten lang geleden. Het blijkt dat de natuur het de hele tijd doet zonder enige hulp van ons - hoewel meestal niet in goud.

Deze natuurlijke alchemie, radioactiviteit genaamd, vindt plaats wanneer een element vervalt en daardoor verandert in een ander element.

Door enkele van de zeldzaamste verval te bestuderen, kunnen we een hint krijgen van enkele van de meest fundamentele fysica - fysica die zo fundamenteel is dat het ons huidige begrip misschien te boven gaat. [De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde]

Een van deze ongrijpbare radioactieve verval is nooit echt gezien, maar natuurkundigen zijn dat wel werkelijk in de hoop het te vinden. Dit wordt neutrinoless dubbel-bèta-verval genoemd en zou betekenen dat radioactieve elementen twee elektronen uitspugen en niets anders (zelfs niet spookachtige, niet-vervuilde, nauwelijks aanwezige deeltjes die bekend staan ​​als neutrino's). Als natuurkundigen erin slagen om dit verval in de echte wereld te ontdekken, zou dat een van de fundamentele regels van de fysica schenden en een race aanwakkeren om nieuwe te vinden..

Maar slecht nieuws voor fans van neutrinoless dubbel-bèta-verval: een van de langstlopende experimenten heeft onlangs resultaten gepubliceerd die geen enkele aanwijzing voor dit proces laten zien, wat betekent dat als dit eenhoornproces zich voordoet, het ongelooflijk zeldzaam is. En het enige antwoord dat we nu hebben, is door te blijven graven, met gekruiste vingers.

Radioactieve restjes

Om het belang van neutrinoless dubbel-bèta-verval te begrijpen, moeten we meer dan een eeuw teruggaan, tot het einde van de 19e eeuw, om te begrijpen wat radioactief verval in de eerste plaats is. Het was de buitengewoon bekwame Ernest Rutherford die ontdekte dat er drie verschillende soorten verval waren, die hij alfa, bèta en gamma noemde (want waarom niet).

Elk van deze vervallen leidde tot een ander soort emissie van energie, en Rutherford ontdekte dat de zogenaamde "bètastralen" een flink eind door sommige metalen platen konden reizen voordat ze stopten. Latere experimenten onthulden de aard van deze stralen: het waren gewoon elektronen. Dus sommige chemische elementen (zeg maar cesium) transformeerden zichzelf in andere elementen(zeg maar, barium), en in het proces spuwden ze elektronen uit. Wat geeft? [6 belangrijke elementen waarvan je nog nooit hebt gehoord]

Het antwoord zou pas over een paar decennia komen, nadat we erachter waren gekomen van welke elementen (minuscule deeltjes die protonen en neutronen worden genoemd), waar protonen en neutronen van zijn gemaakt (nog kleinere deeltjes die quarks worden genoemd) en hoe deze entiteiten met elkaar praten. andere binnenatomen (de sterke en zwakke nucleaire krachten). We hebben geleerd dat een neutron in een opwelling op een dag kan beslissen om een ​​proton te worden en daarbij een elektron uitzenden (de ooit zogeheten bètastralen). Omdat het neutron in een proton is veranderd, en het aantal protonen bepaalt wat voor soort element je bent, kunnen we op bijna magische wijze elementen in andere veranderen.

Red de leptonen

Om deze transformatie mogelijk te maken, moet het neutron zijn interne structuur veranderen, en zijn interne structuur bestaat uit kleinere karakters, quarks genaamd. In het bijzonder heeft een neutron één "up" quark en twee "down" quarks, terwijl een proton het omgekeerde heeft - een enkele "down" quark en een paar "up" quarks. Dus om het ene soort element in het andere te veranderen - en gaandeweg bètastraling te maken - moeten we een van deze quarks van beneden naar boven omdraaien, en er is maar één kracht in het universum die dat kan laten gebeuren: de zwakke kernkracht . [7 vreemde feiten over quarks]

In feite is dat vrijwel alles wat de zwakke kracht ooit doet: het transformeert de ene soort quark in de andere. Dus de zwakke kracht doet zijn ding, een down-quark wordt een up-quark, een neutron wordt een proton en een element verandert in een ander.

Maar lichamelijke reacties hebben alles te maken met balans. Neem bijvoorbeeld de elektrische lading. Laten we ons voorstellen dat we zijn begonnen met een enkele neutronneutraal, natuurlijk. Aan het eind krijgen we een proton dat positief geladen is. Dat is een nee-nee, en dus moet iets het in evenwicht brengen: het negatief geladen elektron.

En er is nog een evenwichtsoefening nodig: het totale aantal leptonen moet hetzelfde blijven. Lepton is gewoon een mooie naam voor enkele van de kleinste deeltjes, zoals elektronen, en de mooie term voor deze evenwichtsoefening is "behoud van het aantal lepton". Net als bij de elektrische lading, moeten we het begin en het einde van het verhaal in evenwicht brengen. In dit geval beginnen we met nul leptonen maar eindigen met één: het elektron.

Wat brengt het in evenwicht? Een ander nieuw deeltje wordt gecreëerd in de reactie, een antineutrino, die telt als een negatief en alles in evenwicht houdt.

Wie heeft er een neutrino nodig?

Hier is de twist: er kan een soort bèta-verval zijn waarvoor helemaal geen neutrino nodig is. Maar zou dat niet in strijd zijn met dit uiterst belangrijke behoud van het aantal leptonen? Ja, het zou, en het zou geweldig zijn.

Soms kunnen twee bèta-vervallen tegelijk plaatsvinden, maar het zijn in feite twee reguliere bèta-vervallen die gelijktijdig plaatsvinden binnen hetzelfde atoom, wat, hoewel zeldzaam, niet zo interessant is, waarbij twee elektronen en twee antineutrino's worden uitgespuugd. Maar er is een hypothetisch dubbel bèta-verval dat geen neutrino's uitstoot. Dit soort werkt alleen als het neutrino zijn eigen antideeltje is, wat betekent dat het neutrino en het antineutrino precies hetzelfde zijn. En op ons huidige niveau van kennis van alle dingen deeltjes, weten we eerlijk gezegd niet of de neutrino zich op deze manier gedraagt ​​of niet.

Het is een beetje moeilijk om het exacte interne proces in dit zogenaamde neutrinoless dubbele bèta-verval te beschrijven, maar je kunt je voorstellen dat de geproduceerde neutrino's met zichzelf in wisselwerking staan ​​voordat ze aan de reactie ontsnappen. Zonder neutrino's laat deze hypothetische reactie twee elektronen los en niets anders, waardoor het behoud van het leptongetal wordt geschonden, wat de bekende fysica zou doorbreken, wat heel opwindend zou zijn. Daarom is de jacht begonnen om zoiets op te sporen, omdat de eerste groep die het doet, gegarandeerd een Nobelprijs krijgt. In de afgelopen decennia zijn er veel experimenten met weinig geluk gekomen en gegaan, wat betekent dat als dit proces in de natuur bestaat, het zeer, zeer zeldzaam moet zijn.

Hoe zeldzaam? In een recent artikel heeft het team achter Advanced Molybdenum-based Rare process Experiment (AMoRE) hun eerste resultaten vrijgegeven. Dit experiment zoekt naar neutrinoless dubbel-bèta-verval met, je raadt het al, veel molybdeen. En raad eens? Dat klopt, ze zagen geen verval. Gezien de omvang van hun experiment en de tijdsduur dat ze hebben opgenomen, schatten ze dat de dubbele bèta-verval optreedt met een halfwaardetijd van niet minder dan 10 ^ 23 jaar, wat meer is dan een biljoen keer de huidige leeftijd van het heelal.

Ja, zeldzaam.

Wat betekent dat? Het betekent dat als we nieuwe fysica in deze richting willen vinden, we zullen moeten blijven graven en nog veel meer verval zullen moeten bekijken.

Oorspronkelijk gepubliceerd .

• De 12 vreemdste objecten in het heelal
• 9 cijfers die koeler zijn dan Pi
• Afbeelding: in 's werelds beste fysica-laboratoria

Paul M.Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een ruimteman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het heelal.