La trasmutazione di un elemento in un altro (di solito l'oro, ovviamente) era la materia dei sogni febbrili e dell'immaginazione fantasiosa per gli alchimisti di altri tempi. Si scopre che la natura lo fa continuamente senza alcun aiuto da parte nostra, anche se di solito non è oro.
Questa alchimia naturale, chiamata radioattività, si verifica quando un elemento decade e in tal modo si trasforma in un altro elemento.
Studiando alcuni dei decadimenti più rari, possiamo ottenere un suggerimento su alcuni dei più fondamentali della fisica - la fisica così fondamentale, che potrebbe essere al di là della nostra attuale comprensione.
Uno di questi inafferrabili decadimenti radioattivi non è mai stato effettivamente visto, ma lo sono i fisici veramente sperando di trovarlo. Chiamato decadimento a doppia beta neutrinoless, significherebbe che gli elementi radioattivi emettono due elettroni e nient'altro (nemmeno particelle spettrali, senza carica, a malapena note come neutrini). Se i fisici riuscissero a individuare questo decadimento nel mondo reale, violerebbe una delle regole fondamentali della fisica e alimenterebbe una corsa per trovarne di nuove.
Ma cattive notizie per i fan del decadimento beta-doppio senza neutrini: uno degli esperimenti più lunghi ha recentemente pubblicato risultati che non mostrano alcun accenno a questo processo, il che significa che se si verifica questo processo di unicorno, è incredibilmente raro. E l'unica risposta che abbiamo in questo momento è continuare a scavare, tenendo le dita incrociate.
Avanzi radioattivi
Per comprendere l'importanza del decadimento della doppia beta neutrina, dobbiamo risalire a più di un secolo, alla fine del 1800, per capire quale decadimento radioattivo è in primo luogo. Fu il singolarmente abile Ernest Rutherford a capire che c'erano tre diversi tipi di decadimenti, che chiamò alfa, beta e gamma (perché perché no).
Ognuno di questi decadimenti ha portato a un diverso tipo di emissione di energia, e Rutherford ha scoperto che i cosiddetti "raggi beta" potevano percorrere parecchi fogli di metallo prima di fermarsi. Esperimenti successivi hanno rivelato la natura di questi raggi: erano solo elettroni. Quindi alcuni elementi chimici (diciamo cesio) si stavano trasformando in altri elementi (diciamo bario) e nel processo stavano sputando elettroni. Cosa dà?
La risposta non arriverebbe per qualche altro decennio, dopo che abbiamo capito di cosa sono fatti gli elementi (minuscole particelle chiamate protoni e neutroni), di cosa sono fatti i protoni e i neutroni (particelle ancora più piccole chiamate quark) e come queste entità parlano a ciascuno altri atomi interni (le forze nucleari forti e deboli). Abbiamo appreso che, per un capriccio, un neutrone un giorno può decidere di diventare un protone e, nel processo, emettere un elettrone (i raggi beta un tempo chiamati). Poiché il neutrone si è trasformato in un protone e il numero di protoni determina il tipo di elemento che sei, possiamo quasi magicamente trasformare gli elementi in altri.
Salva i leptoni
Per rendere possibile questa trasformazione, il neutrone deve cambiare la sua struttura interna e la sua struttura interna è composta da caratteri più piccoli chiamati quark. In particolare, un neutrone ha un quark "su" e due quark "su" mentre un protone ha il retro - un singolo quark "su" e una coppia di quark "su". Quindi, per cambiare un tipo di elemento in un altro - e creare radiazioni beta, lungo la strada - dobbiamo capovolgere uno di questi quark da un basso all'altro, e c'è solo una forza nell'universo in grado di farlo accadere: la debole forza nucleare .
In effetti, è praticamente tutto ciò che la forza debole fa mai: trasforma un tipo di quark in un altro. Quindi la forza debole fa la sua parte, un quark down diventa un quark up, un neutrone diventa un protone e un elemento si trasforma in un altro.
Ma le reazioni fisiche riguardano solo l'equilibrio. Prendi, ad esempio, la carica elettrica. Immaginiamo di aver iniziato con un solo neutrone neutro, ovviamente. Alla fine otteniamo un protone, che è caricato positivamente. Questo è un no-no, e quindi qualcosa deve bilanciare: l'elettrone caricato negativamente.
E c'è bisogno di un altro atto di bilanciamento: il numero totale di leptoni deve rimanere lo stesso. Lepton è solo un nome di fantasia per alcune delle particelle più piccole, come gli elettroni, e il termine di fantasia per questo atto di bilanciamento è "conservazione del numero leptonico". Come per la carica elettrica, dobbiamo bilanciare l'inizio e la fine della storia. In questo caso, iniziamo con zero leptoni ma finiamo con uno: l'elettrone.
Cosa lo equilibra? Un'altra nuova particella viene creata nella reazione, un antineutrino, che conta come un negativo, bilanciando tutto.
Chi ha bisogno di un neutrino?
Ecco il colpo di scena: potrebbe esserci un tipo di decadimento beta che non richiede affatto un neutrino. Ma ciò non violerebbe questa importantissima conservazione del numero leptonico? Perché sì, sarebbe, e sarebbe fantastico.
A volte possono accadere due decadimenti beta contemporaneamente, ma sono sostanzialmente due decadimenti beta regolari che si verificano contemporaneamente all'interno dello stesso atomo, che sebbene raro non è poi così interessante, sputando due elettroni e due antineutrini. Ma c'è un ipotetico decadimento della doppia beta che non emette neutrini. Questo tipo funziona solo se il neutrino è la sua stessa antiparticella, il che significa che il neutrino e l'antineutrino sono esattamente la stessa cosa. E al nostro attuale livello di conoscenza di tutte le particelle, onestamente non sappiamo se il neutrino si comporti in questo modo o meno.
È un po 'difficile descrivere l'esatto processo interno in questo cosiddetto decadimento a doppia beta neutrina, ma puoi immaginare che i neutrini prodotti interagiscano con se stessi prima di sfuggire alla reazione. Senza neutrini, questa ipotetica reazione fa scattare due elettroni e nient'altro, violando quindi la conservazione del numero leptonico, che spezzerebbe la fisica nota, il che sarebbe molto eccitante. Quindi, la caccia è in corso per rilevare qualcosa di simile, perché il primo gruppo a farlo è garantito un premio Nobel. Nel corso dei decenni molti esperimenti sono andati e sono andati con poca fortuna, il che significa che se questo processo esiste in natura deve essere molto, molto raro.
Quanto raro? In un recente articolo, il team che sta dietro Advanced Rare Process Experiment (AMoRE) basato su Advanced Molybdenum ha pubblicato i suoi primi risultati. Questo esperimento cerca il decadimento della doppia beta neutrina usando, avete indovinato, molto molibdeno. E indovina cosa? Esatto, non hanno visto alcun decadimento. Date le dimensioni del loro esperimento e il tempo che hanno registrato, stimano che i decadimenti della doppia beta si verificano con un'emivita non inferiore a 10 ^ 23 anni, che è più di un trilione di volte l'età attuale di l'universo.
Sì, raro.
Cosa significa? Significa che se vogliamo trovare nuova fisica in questa direzione, dovremo continuare a scavare e continuare a guardare molti più decadimenti.
Paul M. Sutter è un astrofisico a La Ohio State University, ospite di Chiedi a un astronauta e Space Radioe autore di Il tuo posto nell'universo.
