Grundläggande fysik tyder på att elektroner är i huvudsak odödlig. Ett fascinerande experiment nyligen har misslyckats med att störta denna grundläggande antagande. Men insatsen har tagit fram en reviderad minsta livslängd för elektroner: 60,000 yottayears, något som är få detta — om fem-kvintiljon gånger den nuvarande Universums ålder.
Det är en Yotta År
En elektron är det lättaste subatomär partikel som bär en negativ elektrisk laddning. Det har inga kända komponenter, vilket är varför det anses vara en grundläggande byggstenen i universum, eller en elementär partikel.
Den Borexino anläggning (Credit: AV/Gran Sasso)
En internationell forskargrupp som arbetar på Borexino experiment i Italien letade efter tecken på elektroner ruttnande till lättare partiklar, men som väntat, de kom upp kort. Detta är faktiskt en bra sak, eftersom det bekräftar vad fysikerna har som misstänks för en lång tid. Hade de hittat bevis på att elektroner förfall till fotoner och neutriner — ännu lägre-massa elementarpartiklar — det skulle strida mot bevarande av elektrisk laddning. En sådan upptäckt skulle föreslå en helt ny fysik bortom standardmodellen.
Men forskargrupp lyckades komma med den mest exakta mätningen hittills av “livstid” av elektroner. Deras beräkningar tyder på att en partikel är närvarande i dag och kommer fortfarande att vara runt 66.000 för yottayears (6.6 × 1028 år), som Fysik Världen uttrycker det, “är ungefär fem-kvintiljon gånger den nuvarande universums ålder.” Detaljerna i detta arbete visas nu i den vetenskapliga tidskriften Physical Review Letters.
Sponsrade
En artikel i APS Fysik förklarar hur forskarna kom upp med en sådan extrem figur:
Borexino består av ett skal av petroleum-baserad flytande som lyser upp när en neutrino, en nästan massless neutral partikel, knackar en elektron lös från en av de flytande är atomer. Detektorn är ungefär 2000 fotomultiplikatorer sedan förstärka och känsla som avges ljus. [] Forskare beräknat känsligheten hos detektorn fotoner som produceras via hypotetiska electron sönderfaller till en foton och en neutrino…De såg för photon “händelser” ovan bakgrund av detta med energier nära 256 kilo-elektron-volt, en energi som motsvarar hälften av elektron övriga massan.
Efter att ha tittat på 408 dagar till ett värde av data, fann de….ingenting. Men de lyckades fastställa en genomsnittlig electron livstid.
En Ny Nedre Gräns
Nu, detta innebär inte att elektroner kommer att leva så länge. För det första, Universum troligen inte kommer att finnas då. Och även om det är fortfarande runt — säger efter en Big Rip scenario — den grundläggande egenskaper hos partiklar som elektroner kommer troligen att vara helt annorlunda.
För det andra, och mer till den punkt, den nya mätningar flytta upp de tidigare beräknade nedre gräns på elektron “livslängd”. Den nya siffran är 100 gånger större än den tidigare undre gräns, som fastställs i ett liknande experiment tillbaka i 1998. Uttryckt på ett annat sätt, om en sådan reaktion uppstår, måste det ske minst en gång vart 6.6 × 1028 år.
Inga Tecken på Förfall
Anledningen till den ohyggligt lång livslängd har att göra med det faktum att forskare inte kan vara helt säker på att elektroner är immuna mot karies. De iakttagelser som gjorts av Borexino forskare — eller snarare avsaknaden av observationerna tyder på att, eftersom vi inte har sett elektroner förfall av nu, deras livslängd ska vara minst lika stor som den nya beräkningar tyder på.
Sean Carroll, en professor på Institutionen för Fysik vid California Institute of Technology, förklaras det att Gizmodo i ett mail:
Sönderfallet är en naturlig sak i partikelfysik, tyngre partiklar tenderar att förfalla till ljusare. En neutron kvar av sig själv, till exempel, kommer att förfalla till en proton, en elektron och en anti-neutrino på bara några minuter. Det är bara den elementära partikel version av sönderfall av en radioaktiv atomkärna som uran.
Men det finns några saker som verkar aldrig hända, som vi beskriver med konserveringslagar. Till exempel den totala elektrisk laddning förändras inte. Även “baryontal” (totalt antal protoner plus neutroner, minus antalet anti-protoner plus anti-neutroner), och “leptontal” (elektroner plus neutriner, minus deras antipartiklarna). Märker att detta är uppfyllda genom neutronens sönderfall. Innan förfall vi har en neutron, som är kostnad = 0, baryontal = 1, och leptontal = 0. Efteråt är det också extra kostnad = 0 (proton = +1, electron = -1, anti-neutrino = 0), baryontal = 1 (proton = 1, electron och anti-neutrino = 0), och leptontal = 0 (proton = 0, electron = 1, anti-neutrino = -1).
Baryon och leptontal har aldrig sett att ändra i ett experiment — att göra så skulle vara Nobel-Pris-värda — men på teoretiska grunder vi tror att de möjligen kan förändras, och förmodligen gjorde i det tidiga universum. (Som skulle hjälpa till att förklara varför finns det mer materia än antimateria i vårt nuvarande universum.)
Men ingen förväntar sig att avgiften för att ändra, vilket är ett mer kraftfullt bevarade kvantitet.
“Det skulle vara en av de mest förvånande saker någonsin om elektrisk laddning var inte bevarade, Carroll. “Det är därför alla tror att elektronerna inte förfalla.”
Carroll sa bara partiklar som är lättare än elektroner, är elektriskt neutral: neutriner, fotoner, gluoner, gravitons. Om det fanns andra lätta laddade partiklar, som vi borde ha upptäckt dem nu. Detta antyder att det är inget för den elektron till förfall till.
“Men vi ska ändå titta! Det är en lott — mycket osannolikt att du kommer att hitta något, men om du gör det, kan du bli rik, Carroll. “Tyvärr har de inte hitta något, men null resultaten är en viktig del av god vetenskap.”
Läs hela studien på Physical Review Letters: “Test av Elektrisk Laddning Bevarande med Borexino.“
E-post författaren på george@gizmodo.com och följ honom på @dvorsky. Översta bilden: Borexino Experiment.