Het ene element omzetten in een ander (meestal goud natuurlijk) was het spul van koortsige dromen en fantasievolle verbeeldingskracht voor alchemisten lang geleden. Het blijkt dat de natuur het altijd doet zonder enige hulp van ons - hoewel meestal niet in goud.
Deze natuurlijke alchemie, radioactiviteit genoemd, vindt plaats wanneer een element vervalt en daardoor transformeert in een ander element.
Door enkele van de zeldzaamste vervalstudies te bestuderen, kunnen we een hint krijgen van enkele van de meest fundamentele fysica - fysica zo fundamenteel dat het misschien gewoon buiten ons huidige begrip ligt.
Een van deze ongrijpbare radioactieve verval is nooit echt gezien, maar natuurkundigen wel werkelijk in de hoop het te vinden. Genaamd neutrinoless double-beta decay, het zou betekenen dat radioactieve elementen twee elektronen uitspuwen en niets anders (zelfs geen spookachtige, niet-geladen, nauwelijks aanwezige deeltjes die bekend staan als neutrino's). Als natuurkundigen dit verval in de echte wereld kunnen herkennen, zou het een van de fundamentele natuurkundige regels overtreden en een race voeden om nieuwe te vinden.
Maar slecht nieuws voor fans van neutrinoless double-beta decay: een van de langstlopende experimenten die onlangs zijn gepubliceerd, toont geen enkele aanwijzing voor dit proces, wat betekent dat als dit eenhoornproces plaatsvindt, het ongelooflijk zeldzaam is. En het enige antwoord dat we nu hebben, is doorgaan met graven, onze vingers gekruist.
Radioactieve restjes
Om het belang van neutrinolloos 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 bijzonder bekwame Ernest Rutherford die erachter kwam dat er drie verschillende soorten verval waren, die hij alpha, beta en gamma noemde (waarom niet).
Elk van deze verval veroorzaakte een ander soort emissie van energie, en Rutherford ontdekte dat de zogenaamde "bètastralen" nogal wat wegen door sommige metalen platen konden reizen voordat ze stopten. Latere experimenten onthulden de aard van deze stralen: het waren slechts elektronen. Dus sommige chemische elementen (bijvoorbeeld cesium) transformeerden zichzelf in andere elementen (bijvoorbeeld barium) en spuugden daarbij elektronen uit. Wat geeft?
Het antwoord zou nog een paar decennia komen, nadat we hadden uitgezocht van welke elementen gemaakt zijn (kleine deeltjes genaamd protonen en neutronen), van welke protonen en neutronen gemaakt zijn (zelfs kleinere deeltjes die quarks worden genoemd) en hoe deze entiteiten met elkaar praten andere binnenatomen (de sterke en zwakke atoomkrachten). We leerden dat in een opwelling een neutron op een dag kan besluiten om een proton te worden en daarbij een elektron (de eens genoemde bètastraling) uit te zenden. Omdat het neutron in een proton is veranderd en het aantal protonen bepaalt wat voor soort element je bent, kunnen we bijna magisch elementen transformeren in anderen.
Red de leptonen
Om deze transformatie te laten plaatsvinden, moet het neutron zijn interne structuur veranderen, en zijn interne structuur is gemaakt van kleinere karakters die quarks worden genoemd. In het bijzonder heeft een neutron één "up" -quark en twee "down" -quarks, terwijl een proton de omgekeerde heeft - een enkele "down" -quark en een paar "up" -quarks. Dus om het ene soort element in het andere te veranderen - en onderweg 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 bewerkstelligen: de zwakke kernkracht .
In feite is dat vrijwel alle zwakke krachten die ooit doen: het verandert een soort quark in een 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 bij fysieke reacties draait alles om balans. Neem bijvoorbeeld de elektrische lading. Stel je voor dat we zijn begonnen met één neutronenneutraal natuurlijk. Aan het einde krijgen we een proton, dat positief geladen is. Dat is een nee-nee, en dus moet er iets in evenwicht worden gebracht: het negatief geladen elektron.
En er is nog een andere evenwichtsoefening nodig: het totale aantal leptonen moet hetzelfde blijven. Lepton is slechts een mooie naam voor enkele van de kleinste deeltjes, zoals elektronen, en de mooie term voor deze evenwichtsoefening is 'behoud van leptongetallen'. Net als bij de elektrische lading, moeten we het begin en het einde van het verhaal in evenwicht houden. In dit geval beginnen we met nul leptonen maar eindigen we met één: het elektron.
Wat brengt het in evenwicht? Een ander nieuw deeltje wordt gecreëerd in de reactie, een antineutrino, die als negatief geldt en alles in evenwicht houdt.
Wie heeft een neutrino nodig?
Hier is de wending: er kan een soort bèta-verval zijn waarvoor helemaal geen neutrino nodig is. Maar zou dat niet in strijd zijn met deze uiterst belangrijke lepton-nummerbehoud? Ja, inderdaad, en het zou geweldig zijn.
Soms kunnen twee bèta-verval tegelijkertijd plaatsvinden, maar het zijn in feite twee reguliere bèta-verval tegelijkertijd binnen hetzelfde atoom, dat hoewel zeldzaam niet zo interessant is, twee elektronen en twee antineutrino's uitspuugt. Maar er is een hypothetisch dubbel bèta-verval dat geen neutrino's afgeeft. Deze soort werkt alleen als de neutrino zijn eigen antideeltje is, wat betekent dat de neutrino en de antineutrino exact hetzelfde zijn. En op ons huidige kennisniveau van alle dingen deeltjes, weten we eerlijk gezegd niet of de neutrino zich zo gedraagt of niet.
Het is een beetje moeilijk om het exacte interne proces te beschrijven in dit zogenaamde neutrinoless double-beta decay, maar je kunt je voorstellen dat de geproduceerde neutrino's met zichzelf interageren voordat ze aan de reactie ontsnappen. Zonder neutrino's zet deze hypothetische reactie twee elektronen en niets anders uit, waardoor het behoud van het leptongetal wordt geschonden, wat de bekende fysica zou breken, wat erg opwindend zou zijn. Vandaar dat de jacht zoiets detecteert, omdat de eerste groep die dit doet gegarandeerd een Nobelprijs krijgt. In de afgelopen decennia zijn er veel experimenten gekomen en gegaan met weinig geluk, wat betekent dat als dit proces in de natuur bestaat, het heel, heel 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 double-beta decay 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 die ze hebben opgenomen, schatten ze dat het verval van dubbele bèta 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 moeten blijven graven en nog veel meer verval moeten blijven zien.
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een Spaceman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het universum.
