Transmutar un elemento en otro (usualmente oro, por supuesto) era la materia de sueños febriles e imaginaciones fantasiosas para alquimistas en el pasado. Resulta que la naturaleza lo hace todo el tiempo sin nuestra ayuda, aunque generalmente no en oro.
Esta alquimia natural, llamada radiactividad, ocurre cuando un elemento se descompone y al hacerlo se transforma en otro elemento.
Al estudiar algunas de las descomposiciones más raras, podemos obtener una pista de algunos de los aspectos más fundamentales de la física: la física tan fundamental que podría estar más allá de nuestra comprensión actual.
Nunca se ha visto una de estas escurridizas desintegraciones radiactivas, pero los físicos son De Verdad esperando encontrarlo. Llamado desintegración doble beta sin neutrinos, significaría que los elementos radiactivos escupieron dos electrones y nada más (ni siquiera partículas fantasmales, sin carga, apenas conocidas, conocidas como neutrinos). Si los físicos logran detectar esta descomposición en el mundo real, violaría una de las reglas fundamentales de la física e impulsaría una carrera para encontrar otras nuevas.
Pero malas noticias para los fanáticos de la desintegración doble beta sin neutrinos: uno de los experimentos de mayor duración recientemente publicado no muestra indicios de este proceso, lo que significa que si este proceso de unicornio ocurre, es increíblemente raro. Y la única respuesta que tenemos ahora es seguir cavando, cruzando los dedos.
Restos radiactivos
Para comprender la importancia de la desintegración doble beta sin neutrinos, tenemos que retroceder más de un siglo, a fines del siglo XIX, para comprender qué es la desintegración radiactiva en primer lugar. Fue el singularmente hábil Ernest Rutherford quien descubrió que había tres tipos diferentes de descomposiciones, a las que llamó alfa, beta y gamma (porque por qué no).
Cada una de estas desintegraciones condujo a un tipo diferente de emisión de energía, y Rutherford descubrió que los llamados "rayos beta" podían viajar bastante a través de algunas láminas de metal antes de detenerse. Experimentos posteriores revelaron la naturaleza de estos rayos: solo eran electrones. Entonces, algunos elementos químicos (por ejemplo, cesio) se transformaban en otros elementos (por ejemplo, bario), y en el proceso escupían electrones. ¿Lo que da?
La respuesta no llegaría en unas pocas décadas, después de descubrir de qué elementos están hechos (pequeñas partículas llamadas protones y neutrones), de qué están hechos los protones y neutrones (incluso partículas más pequeñas llamadas quarks) y cómo estas entidades se comunican con cada uno. otros átomos internos (las fuerzas nucleares fuertes y débiles). Aprendimos que, por capricho, un neutrón puede algún día decidir convertirse en un protón y, en el proceso, emitir un electrón (los antes llamados rayos beta). Debido a que el neutrón se convirtió en un protón, y la cantidad de protones determina qué tipo de elemento eres, casi mágicamente podemos hacer que los elementos se transformen en otros.
Salva los leptones
Para que esta transformación suceda, el neutrón tiene que cambiar su estructura interna, y su estructura interna está hecha de caracteres más pequeños llamados quarks. En particular, un neutrón tiene un quark "arriba" y dos quarks "abajo" mientras que un protón tiene el reverso: un quark "abajo" y un par de quarks "arriba". Entonces, para cambiar un tipo de elemento en otro, y hacer radiación beta, en el camino, necesitamos voltear uno de estos quarks de abajo hacia arriba, y solo hay una fuerza en el universo capaz de hacer que eso suceda: la fuerza nuclear débil .
De hecho, eso es casi todo lo que hace la fuerza débil: transforma un tipo de quark en otro. Entonces, la fuerza débil hace lo suyo, un quark down se convierte en un quark up, un neutrón se convierte en un protón y un elemento se transforma en otro.
Pero las reacciones físicas tienen que ver con el equilibrio. Tomemos, por ejemplo, la carga eléctrica. Imaginemos que comenzamos con un solo neutrón, neutral, por supuesto. Al final obtenemos un protón, que está cargado positivamente. Eso es un no-no, por lo que hay que equilibrarlo: el electrón cargado negativamente.
Y se necesita otro acto de equilibrio: el número total de leptones debe permanecer igual. Lepton es solo un nombre elegante para algunas de las partículas más pequeñas, como los electrones, y el término elegante para este acto de equilibrio es "conservación del número de leptones". Al igual que con la carga eléctrica, tenemos que equilibrar el comienzo y el final de la historia. En este caso, comenzamos con cero leptones pero terminamos con uno: el electrón.
¿Qué lo equilibra? En la reacción se crea otra partícula nueva, un antineutrino, que cuenta como negativo y equilibra todo.
¿Quién necesita un neutrino?
Aquí está el giro: puede haber un tipo de desintegración beta que no requiere un neutrino en absoluto. ¿Pero eso no violaría esta importante conservación del número de leptones? Por qué, sí, lo sería, y sería increíble.
A veces pueden ocurrir dos desintegraciones beta a la vez, pero básicamente son dos desintegraciones beta regulares que ocurren simultáneamente dentro del mismo átomo, lo que, aunque es raro, no es tan interesante, escupiendo dos electrones y dos antineutrinos. Pero hay una hipotética doble desintegración beta que no emite neutrinos. Este tipo solo funciona si el neutrino es su propia antipartícula, lo que significa que el neutrino y el antineutrino son exactamente lo mismo. Y en nuestro nivel actual de conocimiento de todas las partículas, honestamente no sabemos si el neutrino se comporta de esta manera o no.
Es un poco difícil describir el proceso interno exacto en esta llamada descomposición doble beta sin neutrinos, pero puede imaginarse que los neutrinos producidos interactúan con ellos mismos antes de escapar de la reacción. Sin neutrinos, esta reacción hipotética produce dos electrones y nada más, por lo tanto, viola la conservación del número de leptones, lo que rompería la física conocida, lo que sería muy emocionante. Por lo tanto, la búsqueda continúa para detectar algo como esto, porque el primer grupo que lo haga tiene garantizado un Premio Nobel. A lo largo de las décadas, muchos experimentos han ido y venido con poca suerte, lo que significa que si este proceso existe en la naturaleza, debe ser muy, muy raro.
Que raro En un artículo reciente, el equipo detrás del Experimento de proceso raro basado en molibdeno avanzado (AMoRE) lanzó sus primeros resultados. Este experimento busca la desintegración doble beta sin neutrinos usando, lo adivinó, mucho molibdeno. ¿Y adivina qué? Así es, no vieron ninguna descomposición. Dado el tamaño de su experimento y la cantidad de tiempo que han estado grabando, estiman que las desintegraciones beta doble ocurren con una vida media de no menos de 10 ^ 23 años, que es más de un billón de veces la edad actual de el universo.
Si, raro.
Qué significa eso? Significa que si queremos encontrar nueva física en esta dirección, tendremos que seguir excavando y seguir viendo muchas más desintegraciones.
Paul M. Sutter es astrofísico en La universidad de estado de Ohio, gran cantidad de Pregúntale a un astronauta y Radio espacialy autor de Tu lugar en el universo.
