Mentransmisikan satu elemen ke elemen lainnya (biasanya emas, tentu saja) adalah hal-hal yang diimpikan oleh mimpi-mimpi panas dan imajinasi fantastis bagi para alkemis di masa lalu. Ternyata alam melakukannya sepanjang waktu tanpa bantuan dari kita - meskipun tidak biasanya menjadi emas.
Alkimia alami ini, yang disebut radioaktivitas, terjadi ketika suatu elemen meluruh dan dengan demikian berubah menjadi elemen lain.
Dengan mempelajari beberapa peluruhan yang paling langka, kita bisa mendapatkan petunjuk tentang beberapa fisika yang paling mendasar - fisika yang begitu mendasar, mungkin saja di luar pemahaman kita saat ini.
Salah satu peluruhan radioaktif yang sulit dipahami ini sebenarnya tidak pernah terlihat, tetapi fisikawan memang demikian Betulkah berharap menemukannya. Disebut peluruhan beta-ganda tanpa neutrinoless, itu berarti unsur-unsur radioaktif memuntahkan dua elektron dan tidak ada yang lain (bahkan partikel-partikel hantu, tanpa muatan, yang nyaris tidak ada yang dikenal sebagai neutrino). Jika fisikawan berhasil menemukan pembusukan ini di dunia nyata, itu akan melanggar salah satu aturan dasar fisika dan memicu perlombaan untuk menemukan yang baru.
Tapi berita buruk bagi para penggemar pembusukan ganda-beta tanpa neutrinoless: Salah satu eksperimen yang paling lama berjalan baru-baru ini menerbitkan hasil yang tidak menunjukkan petunjuk dari proses ini, yang berarti bahwa jika proses unicorn ini terjadi, itu sangat jarang. Dan satu-satunya jawaban yang kita miliki saat ini adalah untuk terus menggali, menjaga jemari kita.
Sisa radioaktif
Untuk memahami pentingnya pembusukan ganda-beta tanpa neutrinoless, kita harus kembali lebih dari seabad, ke akhir 1800-an, untuk memahami apa peluruhan radioaktif. Adalah Ernest Rutherford yang sangat terampil, yang menemukan bahwa ada tiga jenis peluruhan, yang disebutnya alfa, beta, dan gamma (karena mengapa tidak).
Masing-masing peluruhan ini menghasilkan emisi energi yang berbeda, dan Rutherford menemukan bahwa apa yang disebut "sinar beta" dapat menempuh perjalanan cukup jauh melalui beberapa lembaran logam sebelum berhenti. Eksperimen-eksperimen selanjutnya mengungkapkan sifat sinar ini: Mereka hanyalah elektron. Jadi beberapa unsur kimia (katakanlah, cesium) mengubah diri mereka menjadi unsur lain (katakanlah, barium), dan dalam prosesnya mereka mengeluarkan elektron. Apa yang menyebabkannya?
Jawabannya tidak akan datang untuk beberapa dekade lagi, setelah kami menemukan elemen apa yang terbuat dari (partikel kecil yang disebut proton dan neutron), terbuat dari apa proton dan neutron (bahkan partikel lebih kecil yang disebut quark) dan bagaimana entitas ini berbicara satu sama lain atom di dalam lainnya (kekuatan nuklir kuat dan lemah). Kami belajar bahwa, sambil iseng, suatu hari neutron dapat memutuskan untuk menjadi proton dan, dalam prosesnya, memancarkan sebuah elektron (sinar beta yang dulu bernama). Karena neutron berubah menjadi proton, dan jumlah proton menentukan elemen apa Anda, kita hampir secara ajaib dapat mengubah elemen menjadi yang lain.
Simpan lepton
Untuk membuat transformasi ini terjadi, neutron harus mengubah struktur internalnya, dan struktur internalnya terbuat dari karakter yang lebih kecil yang disebut quark. Secara khusus, neutron memiliki satu quark "naik" dan dua quark "turun" sementara proton memiliki kebalikan - quark "down" tunggal dan sepasang quark "naik". Jadi untuk mengubah satu jenis elemen menjadi elemen lainnya - dan membuat radiasi beta, di sepanjang jalan - kita perlu membalik salah satu quark ini dari bawah ke atas, dan hanya ada satu kekuatan di alam semesta yang mampu mewujudkannya: gaya nuklir lemah .
Faktanya, itu hampir semua kekuatan lemah yang pernah ada: Ia mengubah satu jenis quark menjadi yang lain. Jadi gaya lemah melakukan tugasnya, quark turun menjadi quark atas, neutron menjadi proton, dan elemen berubah menjadi yang lain.
Tetapi reaksi fisik semuanya tentang keseimbangan. Ambil, misalnya, muatan listrik. Mari kita bayangkan kita mulai dengan satu neutron - netral, tentu saja. Pada akhirnya kita mendapatkan proton, yang bermuatan positif. Itu tidak-tidak, dan sesuatu perlu menyeimbangkannya: elektron yang bermuatan negatif.
Dan ada tindakan keseimbangan lain yang dibutuhkan: jumlah total lepton harus tetap sama. Lepton hanyalah nama mewah untuk beberapa partikel terkecil, seperti elektron, dan istilah mewah untuk tindakan penyeimbangan ini adalah "konservasi nomor lepton." Seperti halnya muatan listrik, kita harus menyeimbangkan awal dan akhir cerita. Dalam hal ini, kita mulai dengan nol lepton tetapi diakhiri dengan satu: elektron.
Apa yang menyeimbangkannya? Partikel baru lain diciptakan dalam reaksi, sebuah antineutrino, yang dihitung sebagai negatif, menyeimbangkan semuanya.
Siapa yang butuh neutrino?
Berikut ini twistnya: Mungkin ada semacam peluruhan beta yang tidak memerlukan neutrino sama sekali. Tapi bukankah itu melanggar konservasi nomor lepton yang sangat penting ini? Kenapa, ya, itu akan, dan itu akan luar biasa.
Kadang-kadang dua peluruhan beta dapat terjadi sekaligus, tetapi pada dasarnya dua peluruhan beta biasa terjadi secara bersamaan dalam atom yang sama, yang walaupun jarang tidak terlalu menarik, mengeluarkan dua elektron dan dua antineutrino. Tapi ada pembusukan beta ganda hipotetis yang tidak memancarkan neutrino. Jenis ini hanya berfungsi jika neutrino adalah antipartikelnya sendiri, yang berarti bahwa neutrino dan antineutrino adalah hal yang sama persis. Dan pada tingkat pengetahuan kita saat ini tentang semua benda, kita jujur tidak tahu apakah neutrino berperilaku seperti ini atau tidak.
Agak sulit untuk menggambarkan proses internal yang tepat dalam peluruhan double-beta yang dinamakan neutrinoless ini, tetapi Anda dapat membayangkan neutrino yang dihasilkan berinteraksi dengan diri mereka sendiri sebelum lepas dari reaksi. Tanpa neutrino, reaksi hipotetis ini mengeluarkan dua elektron dan tidak ada yang lain, sehingga melanggar konservasi bilangan lepton, yang akan merusak fisika yang dikenal, yang akan sangat menarik. Oleh karena itu, perburuan aktif untuk mendeteksi sesuatu seperti ini, karena kelompok pertama yang melakukannya dijamin dengan Hadiah Nobel. Selama beberapa dekade banyak eksperimen telah datang dan pergi dengan sedikit keberuntungan, yang berarti bahwa jika proses ini ada di alam pasti sangat, sangat langka.
Seberapa jarang? Dalam sebuah makalah baru-baru ini, tim di balik Eksperimen Proses Langka (AMoRE) berbasis Molibdenum Lanjutan merilis hasil pertama mereka. Eksperimen ini mencari peluruhan beta ganda tanpa neutrinoless dengan menggunakan, Anda dapat menebaknya, banyak molibdenum. Dan coba tebak? Itu benar, mereka tidak melihat kerusakan. Mengingat ukuran percobaan mereka dan lamanya waktu yang telah mereka rekam, mereka memperkirakan bahwa peluruhan beta ganda terjadi dengan waktu paruh tidak kurang dari 10 ^ 23 tahun, yang lebih dari satu triliun kali usia saat ini. alam semesta.
Ya, jarang.
Apa artinya? Ini berarti bahwa jika kita ingin menemukan fisika baru ke arah ini, kita harus terus menggali dan terus menonton pembusukan.
Paul M. Sutter adalah seorang astrofisikawan di Universitas Negeri Ohio, tuan rumah dari Tanya seorang angkasawan dan Radio luar angkasa, dan penulis Tempat Anda di Alam Semesta.
