كان نقل عنصر إلى عنصر آخر (عادة الذهب ، بالطبع) هو مادة الأحلام المحمومة والتخيلات الخيالية للكيميائيين في الماضي. اتضح أن الطبيعة تفعل ذلك طوال الوقت دون أي مساعدة منا - على الرغم من أنه ليس عادة في الذهب.
تحدث هذه الخيمياء الطبيعية ، التي تسمى النشاط الإشعاعي ، عندما يتحلل عنصر ويتحول إلى عنصر آخر.
من خلال دراسة بعض من الأضمحلات النادرة ، يمكننا الحصول على تلميح لبعض من أهم الفيزياء - الفيزياء الأساسية للغاية ، قد تكون أبعد من فهمنا الحالي.
لم يسبق مشاهدة أحد هذه التحلل الإشعاعي بعيد المنال ، ولكن الفيزيائيين هل حقا على أمل العثور عليه. يطلق عليه تحلل بيتا مزدوج النيوترينول ، وهذا يعني أن العناصر المشعة تبصق إلكترونين ولا شيء آخر (حتى جزيئات شبحية ، بدون شحن ، بالكاد هناك تعرف باسم النيوترينو). إذا تمكن الفيزيائيون من اكتشاف هذا الاضمحلال في العالم الحقيقي ، فسوف ينتهك أحد القواعد الأساسية للفيزياء ويغذي سباقًا للعثور على قواعد جديدة.
لكن الأخبار السيئة لمحبي التحلل ثنائي بيتا النيوترينولس: واحدة من أطول التجارب التي تم نشرها مؤخرًا النتائج التي لم تظهر أي تلميح لهذه العملية ، مما يعني أنه إذا حدثت عملية يونيكورن هذه ، فهي نادرة بشكل لا يصدق. والجواب الوحيد لدينا الآن هو الاستمرار في الحفر وإبقاء أصابعنا متقاطعة.
بقايا مشعة
لفهم أهمية اضمحلال بيتا مزدوج النيوترينول ، علينا العودة لأكثر من قرن ، حتى أواخر القرن التاسع عشر ، لفهم ما هو الاضمحلال الإشعاعي في المقام الأول. كان إرنست رذرفورد الماهر الوحيد هو الذي اكتشف أن هناك ثلاثة أنواع مختلفة من الاضمحلال ، والتي أطلق عليها ألفا وبيتا وغاما (لأنه لم لا).
أدى كل من هذه الانحطاطات إلى نوع مختلف من انبعاث الطاقة ، ووجد رذرفورد أن ما يسمى "أشعة بيتا" يمكن أن تنتقل بطرق عديدة عبر بعض الصفائح المعدنية قبل التوقف. كشفت التجارب اللاحقة طبيعة هذه الأشعة: كانت مجرد إلكترونات. لذا فإن بعض العناصر الكيميائية (على سبيل المثال ، السيزيوم) كانت تحول نفسها إلى عناصر أخرى (مثل الباريوم) ، وخلال هذه العملية كانت تبصق الإلكترونات. ما يعطي؟
لن يأتي الجواب لبضعة عقود أخرى ، بعد أن اكتشفنا العناصر التي تتكون من (جسيمات دقيقة تسمى البروتونات والنيوترونات) ، وما تتكون البروتونات والنيوترونات (حتى الجسيمات الأصغر التي تسمى الكواركات) وكيف تتحدث هذه الكيانات مع بعضها أخرى داخل الذرات (القوى النووية القوية والضعيفة). تعلمنا أن النيوترون يمكن أن يقرر يومًا ما أن يصبح بروتونًا ، وفي هذه العملية ، ينبعث إلكترونًا (أشعة بيتا التي كانت تسمى سابقًا). لأن النيوترون تغير إلى بروتون ، وعدد البروتونات يحدد نوع العنصر الذي أنت عليه ، يمكننا تقريبًا أن نتحول بشكل سحري إلى عناصر تتحول إلى عناصر أخرى.
حفظ اللبتن
لتحقيق هذا التحول ، يجب على النيوترون تغيير بنيته الداخلية ، وهيكله الداخلي مصنوع من شخصيات أصغر تسمى الكواركات. على وجه الخصوص ، يحتوي النيوترون على كوارك واحد "أعلى" واثنين من الكواركات "السفلية" في حين أن البروتون له خلفية عكسية - كوارك "أسفل" واحد وزوج من الكواركات "الأعلى". لذا لتغيير نوع واحد إلى عنصر آخر - وإحداث إشعاع بيتا على طول الطريق - نحتاج إلى قلب أحد هذه الكواركات من الأسفل إلى الأعلى ، وهناك قوة واحدة فقط في الكون قادرة على تحقيق ذلك: القوة النووية الضعيفة .
في الواقع ، هذا هو إلى حد كبير كل قوة ضعيفة على الإطلاق: إنه يحول نوعًا من الكوارك إلى نوع آخر. لذا فإن القوة الضعيفة تقوم بعملها ، فالكوارك السفلي يصبح الكوارك العلوي ، والنيوترون يصبح بروتونًا ، والعنصر يتغير إلى عنصر آخر.
لكن ردود الفعل الجسدية تتعلق بالتوازن. خذ ، على سبيل المثال ، الشحنة الكهربائية. دعونا نتخيل أننا بدأنا بمحايدة نيوترونية واحدة بالطبع. في النهاية نحصل على بروتون ، مشحون بشكل إيجابي. هذا لا ، لذلك هناك شيء ما يجب موازنة ذلك: الإلكترون المشحون بالسالب.
وهناك حاجة إلى إجراء توازن آخر: يجب أن يظل العدد الإجمالي لللبتونات كما هو. Lepton هو مجرد اسم فاخر لبعض أصغر الجسيمات ، مثل الإلكترونات ، والمصطلح الفاخر لهذا التوازن هو "الحفاظ على عدد lepton". كما هو الحال مع الشحنة الكهربائية ، يجب أن نوازن بين بداية ونهاية القصة. في هذه الحالة ، نبدأ بصفر لبتون وننتهي بواحد: الإلكترون.
ما يوازنها؟ يتم إنشاء جسيم جديد آخر في التفاعل ، وهو مضاد للنترينو ، والذي يعتبر سلبيًا ، يوازن كل شيء.
من يحتاج النيوترينو؟
إليك التحريف: قد يكون هناك نوع من اضمحلال بيتا لا يتطلب نيوترينو على الإطلاق. ولكن ألن ينتهك هذا الحفاظ على عدد ليبتون المهم؟ لماذا ، نعم ، سيكون رائعًا.
في بعض الأحيان يمكن أن يحدث تحللان بيتا في وقت واحد ، لكنه في الأساس حدثان تحللان بيتا عاديان يحدثان في نفس الوقت في نفس الذرة ، وهو أمر نادر الحدوث مع ذلك ، وهو بصق إلكترونين واثنين من مضادات النيوترينو. ولكن هناك اضمحلال افتراضي مزدوج بيتا لا ينبعث من النيوترينوات. يعمل هذا النوع فقط إذا كان النيوترينو هو جسيمه المضاد الخاص به ، مما يعني أن النيوترينو ومضاد النيوترينو هما نفس الشيء بالضبط. وعلى المستوى الحالي لمعرفتنا بكل جزيئات الأشياء ، نحن بصراحة لا نعرف ما إذا كان النيوترينو يتصرف بهذه الطريقة أم لا.
من الصعب قليلاً وصف العملية الداخلية الدقيقة في ما يسمى بتدهور بيتا مزدوج النيوترينول ، ولكن يمكنك أن تتخيل النيوترينوات المنتجة تتفاعل مع نفسها قبل الهروب من التفاعل. مع عدم وجود النيوترينوات ، فإن هذا التفاعل الافتراضي يفرز إلكترونين ولا شيء آخر ، وبالتالي ينتهك الحفاظ على عدد lepton ، الأمر الذي سيكسر الفيزياء المعروفة ، والتي ستكون مثيرة للغاية. وبالتالي ، فإن البحث مستمر لاكتشاف شيء مثل هذا ، لأن المجموعة الأولى التي تفعل ذلك مضمونة بجائزة نوبل. على مر العقود ، جاءت العديد من التجارب وذهبت مع القليل من الحظ ، مما يعني أنه إذا كانت هذه العملية موجودة في الطبيعة ، فيجب أن تكون نادرة جدًا.
كم هو نادر؟ في ورقة بحثية حديثة ، أصدر الفريق المسؤول عن تجربة العملية النادرة المستندة إلى الموليبدينوم (AMoRE) أول نتائجهم. تبحث هذه التجربة عن اضمحلال بيتا مزدوج النيترينولس باستخدام الكثير من الموليبدينوم. وتخيل ماذا؟ هذا صحيح ، لم يروا أي اضمحلال. نظرًا لحجم تجربتهم وطول المدة التي تم تسجيلهم فيها ، فإنهم يقدرون أن تسوسات بيتا المزدوجة تحدث بنصف عمر لا يقل عن 10 ^ 23 سنة ، وهو أكثر من تريليون مرة من العمر الحالي لـ الكون.
نعم ، نادر.
ماذا يعني ذلك؟ هذا يعني أنه إذا أردنا العثور على فيزياء جديدة في هذا الاتجاه ، فسنضطر إلى مواصلة الحفر ومتابعة مشاهدة الكثير من الانحطاطات.
بول م. سوتر فيزيائي فلكي في جامعة ولاية أوهايومضيف اسأل رائد فضاء و راديو الفضاء، ومؤلف كتاب مكانك في الكون.
