A transmutação de um elemento em outro (geralmente ouro, é claro) era coisa de sonhos febris e imaginações fantasiosas para alquimistas no passado. Acontece que a natureza faz isso o tempo todo sem nenhuma ajuda de nós - embora não seja geralmente em ouro.
Essa alquimia natural, chamada radioatividade, acontece quando um elemento se deteriora e, ao fazê-lo, se transforma em outro elemento.
Ao estudar algumas das mais raras decadências, podemos obter uma dica das mais fundamentais da física - a física é tão fundamental que pode estar além do nosso entendimento atual.
Um desses decaimentos radioativos indescritíveis nunca foi realmente visto, mas os físicos são realmente esperando encontrá-lo. Chamado decaimento beta duplo sem neutrinoless, isso significaria que elementos radioativos cuspiam 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, ela violaria uma das regras fundamentais da física e alimentaria uma corrida para encontrar novas.
Mas uma notícia ruim para os fãs de decaimento beta duplo sem neutrinoless: um dos experimentos mais antigos publicou recentemente resultados que não mostram nenhum indício desse processo, o que significa que, se esse processo de unicórnio ocorrer, é incrivelmente raro. E a única resposta que temos agora é continuar cavando, mantendo os dedos cruzados.
Sobras radioativas
Para entender a importância do decaimento beta duplo sem neutrinos, precisamos voltar mais de um século, até o final do século XIX, para entender o que é o decaimento radioativo em primeiro lugar. Foi o singularmente hábil Ernest Rutherford que descobriu que havia três tipos diferentes de decaimento, que ele chamou de alfa, beta e gama (porque porque não).
Cada um desses decaimentos levou a um tipo diferente de emissão de energia, e Rutherford descobriu que os chamados "raios beta" podiam viajar bastante através de algumas chapas de metal antes de parar. Experimentos posteriores revelaram a natureza desses raios: eram apenas elétrons. Assim, alguns elementos químicos (digamos, césio) estavam se transformando em outros elementos (digamos, bário) e, no processo, estavam cuspindo elétrons. O que da?
A resposta não viria por mais 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 conversam entre si. outros átomos internos (as forças nucleares fortes e fracas). Aprendemos que, por um capricho, um nêutron pode um dia decidir se tornar um próton e, no processo, emitir um elétron (os 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 magicamente fazer com que os elementos se transformem em outros.
Salve os leptons
Para que essa transformação aconteça, o nêutron precisa mudar sua estrutura interna, e sua estrutura interna é composta de caracteres menores chamados quarks. Em particular, um nêutron possui um quark "up" e dois quarks "down", enquanto um próton tem o reverso - um único quark "down" e um par de quarks "up". Então, para transformar um tipo de elemento em outro - e gerar radiação beta ao longo do caminho - precisamos virar um desses quarks de cima para baixo, e só há uma força no universo capaz de fazer isso acontecer: a força nuclear fraca .
De fato, é praticamente toda a força fraca que faz: transforma um tipo de quark em outro. Assim, a força fraca age, um quark baixo se torna um quark up, um nêutron se torna um próton e um elemento se transforma em outro.
Mas as reações físicas são todas sobre equilíbrio. Pegue, por exemplo, a carga elétrica. Vamos imaginar que começamos com um único nêutron - neutro, é claro. No final, obtemos um próton, que é carregado positivamente. Isso é um não-não e, portanto, algo precisa ser equilibrado: o elétron carregado negativamente.
E há outro ato de equilíbrio necessário: o número total de leptões deve permanecer o mesmo. Lepton é apenas um nome sofisticado para algumas das menores partículas, como elétrons, e o termo sofisticado para esse ato de equilíbrio é "conservação do número de lepton". Assim como a carga elétrica, temos que equilibrar o início e o final da história. Nesse caso, começamos com zero leptons, 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 reviravolta: pode haver um tipo de decaimento beta que não requer nenhum neutrino. Mas isso não violaria essa importante conservação de número de lepton? Por que 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 seja tão interessante, cuspe 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 em nosso atual nível de conhecimento de todas as partículas, honestamente não sabemos se o neutrino se comporta dessa maneira ou não.
É um pouco difícil descrever o processo interno exato desse decaimento beta-beta sem neutrinos, mas você pode imaginar os neutrinos produzidos interagindo entre si antes de escapar da reação. Sem neutrinos, essa reação hipotética gera dois elétrons e nada mais, violando a conservação do número de lepton, que quebraria a física conhecida, o que seria muito emocionante. Portanto, a caça está prestes a detectar algo assim, porque o primeiro grupo a fazer isso é garantido com um Prêmio Nobel. Ao longo das décadas, muitos experimentos chegaram e foram 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 do Experimento de Processo Raro Baseado em Molibdênio (AMoRE) divulgou seus primeiros resultados. Este experimento procura por decaimento beta duplo sem neutrinol, usando, você adivinhou, muito molibdênio. E adivinha? É isso mesmo, eles não viram nenhuma deterioração. Dado o tamanho de seu experimento e o período de tempo que estão gravando, eles estimam que os decaimentos beta-duplos ocorram com uma meia-vida não inferior a 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 nessa direção, teremos que continuar cavando e assistindo muito mais decaimentos.
Paul M. Sutter é um astrofísico da Universidade Estadual de Ohioanfitrião de Pergunte a um astronauta e Rádio Espaciale autor de Seu lugar no universo.
