La transmutation d'un élément en un autre (généralement de l'or, bien sûr) était une affaire de rêves fiévreux et d'imaginations fantaisistes pour les alchimistes depuis longtemps. Il s'avère que la nature le fait tout le temps sans aucune aide de notre part - bien que ce ne soit généralement pas en or.
Cette alchimie naturelle, appelée radioactivité, se produit lorsqu'un élément se désintègre et, ce faisant, se transforme en un autre élément.
En étudiant certaines des désintégrations les plus rares, nous pouvons obtenir un aperçu de certaines des plus fondamentales de la physique - la physique est si fondamentale qu'elle pourrait bien dépasser notre compréhension actuelle.
Une de ces désintégrations radioactives insaisissables n'a jamais été réellement vue, mais les physiciens sont vraiment en espérant le trouver. Appelé désintégration double bêta sans neutrinol, cela signifierait que les éléments radioactifs crachent deux électrons et rien d'autre (pas même des particules fantomatiques, sans charge et à peine connues sous le nom de neutrinos). Si les physiciens parviennent à repérer cette dégradation dans le monde réel, cela violerait l'une des règles fondamentales de la physique et alimenterait une course pour en trouver de nouvelles.
Mais mauvaise nouvelle pour les fans de la désintégration bêta sans neutrinos: l'une des expériences les plus anciennes a récemment publié des résultats ne montrant aucun indice de ce processus, ce qui signifie que si ce processus de licorne se produit, il est incroyablement rare. Et la seule réponse que nous avons en ce moment est de continuer à creuser, en croisant les doigts.
Restes radioactifs
Pour comprendre l'importance de la désintégration bêta sans neutrinos, nous devons remonter à plus d'un siècle, à la fin des années 1800, pour comprendre ce qu'est la désintégration radioactive en premier lieu. C'est le singulièrement habile Ernest Rutherford qui a compris qu'il y avait trois différents types de désintégrations, qu'il appelait alpha, bêta et gamma (parce que pourquoi pas).
Chacune de ces désintégrations a conduit à une sorte différente d'émission d'énergie, et Rutherford a constaté que les soi-disant «rayons bêta» pouvaient voyager assez loin à travers certaines tôles avant de s'arrêter. Des expériences ultérieures ont révélé la nature de ces rayons: ce n'étaient que des électrons. Ainsi, certains éléments chimiques (par exemple, le césium) se transformaient en d'autres éléments (par exemple, le baryum), et dans le processus, ils crachaient des électrons. Ce qui donne?
La réponse ne viendrait pas avant quelques décennies, après avoir déterminé de quels éléments sont faits (de minuscules particules appelées protons et neutrons), de quoi sont constitués les protons et les neutrons (des particules encore plus minces appelées quarks) et comment ces entités se parlent d'autres atomes intérieurs (les forces nucléaires fortes et faibles). Nous avons appris que, sur un coup de tête, un neutron peut un jour décider de devenir un proton et, ce faisant, émettre un électron (les rayons bêta autrefois nommés). Parce que le neutron s'est transformé en proton et que le nombre de protons détermine le type d'élément que vous êtes, nous pouvons presque magiquement transformer des éléments en d'autres.
Sauvez les leptons
Pour que cette transformation se produise, le neutron doit changer sa structure interne, et sa structure interne est composée de petits caractères appelés quarks. En particulier, un neutron a un quark "up" et deux quarks "down" tandis qu'un proton a l'inverse - un seul quark "down" et une paire de quarks "up". Donc, pour changer un type d'élément en un autre - et faire un rayonnement bêta, en cours de route - nous devons inverser l'un de ces quarks de bas en haut, et il n'y a qu'une seule force dans l'univers capable de le faire: la faible force nucléaire .
En fait, c'est à peu près tout ce que la force faible fait: elle transforme un type de quark en un autre. Ainsi, la force faible fait son travail, un quark down devient un quark up, un neutron devient un proton et un élément se transforme en un autre.
Mais les réactions physiques sont une question d'équilibre. Prenons, par exemple, la charge électrique. Imaginons que nous ayons commencé avec un seul neutron - neutre, bien sûr. À la fin, nous obtenons un proton, qui est chargé positivement. C'est un non-non, et donc quelque chose doit l'équilibrer: l'électron chargé négativement.
Et il faut un autre équilibre: le nombre total de leptons doit rester le même. Lepton est juste un nom de fantaisie pour certaines des plus petites particules, comme les électrons, et le terme de fantaisie pour cet acte d'équilibrage est "conservation du nombre de leptons". Comme pour la charge électrique, nous devons équilibrer le début et la fin de l'histoire. Dans ce cas, nous commençons avec zéro leptons mais finissons avec un: l'électron.
Qu'est-ce qui équilibre cela? Une autre nouvelle particule est créée dans la réaction, un antineutrino, qui compte comme un négatif, équilibrant tout.
Qui a besoin d'un neutrino?
Voici la torsion: il peut y avoir une sorte de désintégration bêta qui ne nécessite pas du tout de neutrino. Mais cela ne violerait-il pas cette conservation très importante du nombre de leptons? Pourquoi, oui, ce serait, et ce serait génial.
Parfois, deux désintégrations bêta peuvent se produire en même temps, mais il s'agit essentiellement de deux désintégrations bêta régulières se produisant simultanément dans le même atome, ce qui, bien que rare, n'est pas si intéressant, crachant deux électrons et deux antineutrinos. Mais il existe une hypothétique double désintégration bêta qui n'émet pas de neutrinos. Ce type ne fonctionne que si le neutrino est sa propre antiparticule, ce qui signifie que le neutrino et l'antineutrino sont exactement la même chose. Et à notre niveau actuel de connaissance de toutes les particules de choses, nous ne savons honnêtement pas si le neutrino se comporte de cette façon ou non.
Il est un peu difficile de décrire le processus interne exact dans cette soi-disant désintégration double sans bêta, mais vous pouvez imaginer que les neutrinos produits interagissent avec eux-mêmes avant d'échapper à la réaction. Sans neutrinos, cette réaction hypothétique lance deux électrons et rien d'autre, violant ainsi la conservation du nombre de leptons, ce qui briserait la physique connue, ce qui serait très excitant. Par conséquent, la chasse est en cours pour détecter quelque chose comme ça, car le premier groupe à le faire est garanti un prix Nobel. Au fil des décennies, de nombreuses expériences se sont succédées avec peu de chance, ce qui signifie que si ce processus existe dans la nature, il doit être très, très rare.
C'est rare? Dans un article récent, l'équipe à l'origine de l'expérience sur les processus rares à base de molybdène avancé (AMoRE) a publié ses premiers résultats. Cette expérience recherche la désintégration bêta sans neutrinos en utilisant, vous l'aurez deviné, beaucoup de molybdène. Et devine quoi? C'est vrai, ils n'ont vu aucune décomposition. Compte tenu de la taille de leur expérience et de la durée d'enregistrement, ils estiment que les désintégrations à double bêta se produisent avec une demi-vie d'au moins 10 ^ 23 ans, ce qui représente plus d'un billion de fois l'âge actuel de l'univers.
Ouais, rare.
Qu'est-ce que ça veut dire? Cela signifie que si nous voulons trouver une nouvelle physique dans cette direction, nous devrons continuer à creuser et à regarder beaucoup plus de désintégrations.
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de Votre place dans l'univers.
