Gyles Lewis
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Transmutar um elemento em outro (geralmente ouro, é claro) era matéria de sonhos febris e imaginações fantasiosas para os alquimistas de antigamente. Acontece que a natureza faz isso o tempo todo, sem qualquer ajuda nossa - embora geralmente não em ouro.
Esta alquimia natural, chamada de radioatividade, acontece quando um elemento decai e com isso se transforma em outro elemento.
Ao estudar algumas das deteriorações mais raras, podemos obter uma dica de algumas das coisas mais fundamentais da física - a física tão fundamental que pode estar além de nosso entendimento atual. [Os 18 maiores mistérios não resolvidos da física]
Um desses decaimentos radioativos elusivos nunca foi realmente visto, mas os físicos estão realmente na esperança de encontrá-lo. Chamado de decaimento beta duplo sem neutrinos, isso significaria que elementos radioativos cuspiriam dois elétrons e nada mais (nem mesmo partículas fantasmagóricas, sem carga e quase inexistentes, conhecidas como neutrinos). Se os físicos conseguissem detectar essa decadência no mundo real, isso violaria uma das regras fundamentais da física e incentivaria uma corrida para encontrar novas.
Mas más notícias para os fãs do decaimento beta duplo sem neutrinos: um dos experimentos mais antigos publicados recentemente, resultados que não mostram nenhum indício desse processo, o que significa que se esse processo de unicórnio ocorrer, será incrivelmente raro. E a única resposta que temos agora é continuar cavando, mantendo nossos dedos cruzados.
Sobras radioativas
Para compreender a importância do decaimento beta duplo sem neutrinos, temos que voltar mais de um século, até o final dos anos 1800, para entender o que é o decaimento radioativo em primeiro lugar. Foi o excepcionalmente habilidoso Ernest Rutherford quem descobriu que havia três tipos diferentes de decaimentos, que ele chamou de alfa, beta e gama (porque não?).
Cada uma dessas decadências levou a um tipo diferente de emissão de energia, e Rutherford descobriu que os chamados "raios beta" podiam viajar bastante por algumas folhas de metal antes de parar. Experimentos posteriores revelaram a natureza desses raios: eles eram apenas elétrons. Então, alguns elementos químicos (digamos, césio) estavam se transformando em outros elementos(digamos, bário), e no processo eles estavam cuspindo elétrons. O que da? [6 elementos importantes que você nunca ouviu falar]
A resposta não viria dentro de algumas décadas, depois que descobríssemos de que elementos são feitos (partículas minúsculas chamadas prótons e nêutrons), de que prótons e nêutrons são feitos (partículas ainda menores chamadas quarks) e como essas entidades se comunicam com cada um outros átomos internos (as forças nucleares fortes e fracas). Aprendemos que, por capricho, um nêutron pode um dia decidir se tornar um próton e, no processo, emitir um elétron (os outrora chamados raios beta). Como o nêutron se transformou em um próton, e o número de prótons determina que tipo de elemento você é, podemos quase que magicamente fazer com que os elementos se transformem em outros.
Salve os léptons
Para que essa transformação aconteça, o nêutron precisa mudar sua estrutura interna, e sua estrutura interna é feita de caracteres menores chamados quarks. Em particular, um nêutron tem um quark "up" e dois quarks "down", enquanto um próton tem o inverso - um único quark "down" e um par de quarks "up". Portanto, para transformar um tipo de elemento em outro - e fazer radiação beta, ao longo do caminho - precisamos virar um desses quarks de baixo para cima, e só há uma força no universo capaz de fazer isso acontecer: a força nuclear fraca . [7 fatos estranhos sobre quarks]
Na verdade, isso é tudo que a força fraca faz: ela transforma um tipo de quark em outro. Assim, a força fraca faz o seu trabalho, um quark down se torna um quark up, um nêutron se torna um próton e um elemento se transforma em outro.
Mas as reações físicas têm tudo a ver com equilíbrio. Veja, por exemplo, a carga elétrica. Vamos imaginar que começamos com um único nêutron - neutro, é claro. No final, temos um próton com carga positiva. Isso é um não-não e, portanto, algo precisa equilibrar: o elétron carregado negativamente.
E há outro equilíbrio necessário: o número total de leptões deve permanecer o mesmo. Lepton é apenas um nome chique para algumas das partículas mais ínfimas, como elétrons, e o termo chique para esse ato de equilíbrio é "conservação do número de leptões". Tal como acontece com a carga elétrica, temos que equilibrar o início e o fim da história. Neste caso, começamos com zero léptons, mas terminamos com um: o elétron.
O que equilibra isso? Outra nova partícula é criada na reação, um antineutrino, que conta como negativo, equilibrando tudo..
Quem precisa de um neutrino?
Aqui está a diferença: pode haver um tipo de decaimento beta que não exija nenhum neutrino. Mas isso não violaria essa importante conservação do número de leptons? Sim, seria, e seria incrível.
Às vezes, dois decaimentos beta podem acontecer ao mesmo tempo, mas são basicamente dois decaimentos beta regulares acontecendo simultaneamente no mesmo átomo, o que, embora raro, não é tão interessante, cuspindo dois elétrons e dois antineutrinos. Mas há um hipotético decaimento beta duplo que não emite neutrinos. Esse tipo só funciona se o neutrino for sua própria antipartícula, o que significa que o neutrino e o antineutrino são exatamente a mesma coisa. E no nosso nível atual de conhecimento de todas as partículas de coisas, honestamente não sabemos se o neutrino se comporta dessa maneira ou não.
É um pouco difícil descrever o processo interno exato neste chamado decaimento beta duplo sem neutrinos, mas você pode imaginar os neutrinos produzidos interagindo entre si antes de escapar da reação. Sem neutrinos, essa reação hipotética produz dois elétrons e nada mais, violando, portanto, a conservação do número leptônico, o que quebraria a física conhecida, o que seria muito emocionante. Assim, continua a caça para detectar algo assim, porque o primeiro grupo a fazê-lo tem garantido o Prêmio Nobel. Ao longo das décadas, muitos experimentos surgiram e desapareceram com pouca sorte, o que significa que, se esse processo existe na natureza, deve ser muito, muito raro.
Quão raro? Em um artigo recente, a equipe por trás do Experimento Avançado de Processo Raro baseado em Molibdênio (AMoRE) divulgou seus primeiros resultados. Este experimento procura decaimento beta duplo sem neutrinos usando, você adivinhou, muito molibdênio. E adivinha? Isso mesmo, eles não viram nenhuma deterioração. Dado o tamanho de seu experimento e o tempo que eles vêm registrando, eles estimam que os decaimentos de beta duplo ocorrem com meia-vida de não menos que 10 ^ 23 anos, o que é mais de um trilhão de vezes a idade atual de o universo.
Sim, raro.
O que isso significa? Isso significa que se quisermos encontrar uma nova física nesta direção, teremos que continuar cavando e observando muito mais decaimentos.
Publicado originalmente .
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Paul M. Sutter é astrofísico em The Ohio State University, anfitrião de Pergunte a um astronauta e Rádio Espacial, e autor de Seu lugar no universo.