La búsqueda para encontrar una de las partículas más difíciles de encontrar en el universo

La transmisión de un elemento en otro (generalmente oro, por supuesto) era la materia de sueños febriles e imaginaciones fantasiosas para los alquimistas de hace mucho tiempo. Resulta que la naturaleza lo hace todo el tiempo sin nuestra ayuda, aunque normalmente no en oro.

Esta alquimia natural, llamada radioactividad, ocurre cuando un elemento se descompone y al hacerlo se transforma en otro elemento.

Estudiando algunas de las decadencias más raras, podemos obtener un indicio de algunas de las más fundamentales de la física – física tan fundamental, que podría estar más allá de nuestra comprensión actual. Los 18 misterios sin resolver más grandes de la física]

Una de estas escurridizas descomposiciones radioactivas nunca se ha visto, pero los físicos realmente esperan encontrarla. Llamada descomposición de doble beta sin neutrinos, significaría que los elementos radioactivos escupirían dos electrones y nada más (ni siquiera partículas fantasmagóricas, sin carga, apenas presentes, conocidas como neutrinos). Si los físicos logran detectar este deterioro en el mundo real, se violaría una de las reglas fundamentales de la física y se alimentaría una carrera para encontrar otras nuevas.

Pero malas noticias para los fanáticos de la descomposición doble-beta sin neutrinos: Uno de los experimentos más largos publicados recientemente no muestra ningún indicio de este proceso, lo que significa que si este proceso de unicornio ocurre, es increíblemente raro. Y la única respuesta que tenemos ahora mismo es seguir cavando, manteniendo los dedos cruzados.

Sobras radiactivas

Para entender la importancia de la desintegración doble-beta sin neutrinos, tenemos que retroceder más de un siglo, hasta finales del siglo XIX, para entender qué es la desintegración radioactiva en primer lugar. Fue el singularmente hábil Ernest Rutherford quien descubrió que había tres tipos diferentes de decaimientos, a los que llamó alfa, beta y gamma (porque por qué no).

Cada uno de estos decaimientos 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 metálicas antes de detenerse. Experimentos posteriores revelaron la naturaleza de estos rayos: Eran sólo electrones. Así que algunos elementos químicos (por ejemplo, el cesio) se estaban transformando en otros elementos (por ejemplo, el bario), y en el proceso estaban escupiendo electrones. ¿Qué es lo que pasa? 6 elementos importantes de los que nunca has oído hablar]

La respuesta no llegará hasta dentro de unas décadas, después de que descubramos de qué están hechos los elementos (partículas diminutas llamadas protones y neutrones), de qué están hechos los protones y neutrones (partículas aún más pequeñas llamadas quarks) y cómo se comunican entre sí estas entidades dentro de los átomos (las fuerzas nucleares fuertes y débiles). Aprendimos que, por capricho, un neutrón puede algún día decidir convertirse en protón y, en el proceso, emitir un electrón (los antaño llamados rayos beta). Debido a que el neutrón se convirtió en un protón, y el número de protones determina qué tipo de elemento eres, casi mágicamente podemos conseguir que los elementos se transformen en otros.

Guardar los leptones

Para que esta transformación ocurra, 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 lo contrario: un quark «abajo» y un par de quarks «arriba». Así que para cambiar un tipo de elemento en otro – y hacer radiación beta, a lo largo del camino – necesitamos voltear uno de estos quarks de abajo hacia arriba, y sólo hay una fuerza en el universo capaz de hacer que eso suceda: la fuerza nuclear débil. 7 Datos extraños sobre los quarks]

De hecho, eso es casi todo lo que hace la fuerza débil: transforma un tipo de quark en otro. Así que la fuerza débil hace lo suyo, un quark hacia abajo se convierte en un quark hacia arriba, 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 empezamos con un solo neutrón, neutro, por supuesto. Al final obtenemos un protón, que tiene carga positiva. Eso es un no-no, así que algo tiene que equilibrarlo: el electrón cargado negativamente.

Y hay otro acto de equilibrio necesario: el número total de leptones debe ser el mismo. Lepton es sólo 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 principio y el final de la historia. En este caso, empezamos con cero leptones pero terminamos con uno: el electrón.

¿Qué lo equilibra? Otra nueva partícula se crea en la reacción, un antineutrino, que cuenta como negativo, equilibrando todo.

¿Quién necesita un neutrino?

Aquí está el giro: Puede haber un tipo de decaimiento beta que no requiere un neutrino en absoluto. ¿Pero eso no violaría esta importante conservación del número de leptones? Sí, lo sería, y sería increíble.

A veces pueden ocurrir dos desintegraciones beta a la vez, pero son básicamente dos desintegraciones beta regulares que ocurren simultáneamente dentro del mismo átomo, lo cual, aunque es raro, no es tan interesante, ya que escupe dos electrones y dos antineutrinos. Pero hay un hipotético doble decaimiento beta que no emite neutrinos. Este tipo sólo 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 cosas, honestamente no sabemos si el neutrino se comporta de esta manera o no.

Es un poco difícil describir el proceso interno exacto en este llamado decaimiento de doble beta sin neutrinos, pero puedes imaginarte a los neutrinos producidos interactuando con ellos mismos antes de escapar de la reacción. Sin neutrinos, esta hipotética reacción produce dos electrones y nada más, violando así la conservación del número de leptones, lo que rompería la física conocida, lo que sería muy emocionante. Por lo tanto, la caza está en detectar algo como esto, porque al primer grupo que lo haga se le garantiza el 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.

¿Cómo de raro? En un documento reciente, el equipo detrás de Advanced Molybdenum-based Rare process Experiment (AMoRE) publicó sus primeros resultados. Este experimento busca la descomposición doble-beta sin neutrinos usando, como usted lo adivinó, mucho molibdeno. ¿Y adivina qué? Así es, no vieron ninguna decadencia. Dado el tamaño de su experimento y el tiempo que han estado grabando, estiman que la descomposición de la doble beta ocurre con una vida media de no menos de 10^23 años, que es más de un billón de veces la edad actual del universo.

Sí, raro.

¿Qué significa eso? Significa que si queremos encontrar una nueva física en esta dirección, vamos a tener que seguir cavando y observando muchas más decadencias.

Publicado originalmente Misterius.

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Paul M. Sutter es astrofísico en The Ohio State University , anfitrión de y Radio Espacial , y autor de Tu Lugar en el Universo .

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