Grundlæggende fysik tyder på, at elektroner er i det væsentlige udødelig. En fascinerende eksperiment for nylig lykkedes ikke at vælte denne grundlæggende antagelse. Men indsatsen har udarbejdet en revideret minimum levetid for elektroner: 60,000 yottayears, der er få — om fem-trillion gange den nuværende alder af Universet.
Det er en Abo År
En elektron er det letteste subatomar partikel, der bærer en negativ elektrisk ladning. Det har ingen kendte komponenter, som er grunden til at det anses for at være en grundlæggende byggesten i universet, eller en elementær partikel.
Den Borexino facilitet (Credit: INFN/Gran Sasso)
En international forskergruppe, der arbejder på Borexino eksperiment i Italien var på udkig efter tegn på elektroner rådnende til lettere partikler, men som forventet, at de kom op kort. Dette er faktisk en god ting, fordi det bekræfter, hvad fysikere har mistænkt for en lang tid. De havde fundet beviser for, at elektroner forfald til fotoner og neutrinoer — endnu lavere-masse elementære partikler — det ville være i strid med bevarelse af elektrisk ladning. En sådan opdagelse ville foreslå en helt ny fysik ud over Standard Modellen.
Men forskerteam havde held til at komme op med de mest præcise måling, men af “levetid” af elektroner. Deres beregninger tyder på, at en partikel til stede i dag, vil stadig være omkring i 66,000 yottayears (6.6 × 1028 år), der, som Fysik Verden, udtrykker det, “er omkring fem-trillion gange den nuværende alder af universet.” Nærmere oplysninger om dette arbejde, der nu fremstår i den videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters.
Sponsoreret
En artikel i APS Fysik forklarer, hvordan forskerne kom op med sådan en ekstrem figur:
Borexino består af en skal af råolie-baseret væske, der lyser op, når en neutrino, en næsten tidskrift neutral partikel, slår en elektron løs fra en af de flydende atomer. Detektoren er omtrent 2000 photomultipliers derefter forstærke og følelse det udsendte lys. [Den] forskere har beregnet følsomhed af detektoren til fotoner, der produceres via hypotetiske elektron henfalder til en foton, og en neutrino…De kiggede derefter for photon “begivenheder” over denne baggrund med energier i nærheden af 256 kilo-elektron-volt, en energi, der svarer til halvdelen af den elektron resten masse.
Efter at have kigget på 408 dage værd af data, de fandt….ikke noget. Men de formåede at bestemme en gennemsnitlig electron levetid.
En Ny Nedre Grænse
Nu, dette betyder ikke, at elektroner vil leve så længe. For det første, Universet sandsynligvis ikke vil findes af derefter. Og selv om det stadig rundt — sige efter et Big Rip-scenariet — de grundlæggende egenskaber af partikler som elektroner vil sandsynligvis være helt anderledes.
For det andet, og mere til det punkt, de nye målinger bevæge sig op ad den tidligere anslået en nedre grænse for elektron “levetiden.” De nye tal er 100 gange større end den tidligere nedre grænse, der blev fastlagt i et lignende eksperiment tilbage i 1998. Sagt på en anden måde, hvis en sådan reaktion, det skal ske, mindre end en gang hver 6.6 × 1028 år.
Ingen Tegn på Forfald
Årsagen til den fælt lang levetid har at gøre med det faktum, at forskere ikke kan være helt sikker på, at elektroner er immune over for forfald. De observationer, der er foretaget af Borexino forskere — eller snarere manglen på observationer — tyder på, at fordi vi ikke har set elektroner forfald ved nu, deres levetid skal være mindst lige så stor som den nye beregninger tyder på.
Sean Carroll, et forsknings-professor på Institut for Fysik på California Institute of Technology, forklarede det til Gizmodo i en e-mail:
Tænderne er meget naturligt i partikel fysik; tungere partikler har en tendens til at henfalde i lysere dem. En neutron venstre helt af sig selv, for eksempel, vil henfalder til en proton, en elektron og en anti-neutrino i blot et par minutter. Det er bare det elementære-partikel version af henfald af en radioaktiv kerne som uran.
Men der er nogle ting, der synes at aldrig til at ske, som vi beskriver ved bevarelseslove. For eksempel, skal den samlede elektriske ladning ikke ændre på. Også “baryon-nummer” (det samlede antal protoner plus neutroner, minus antallet af anti-protoner plus anti-neutroner), og den “leptonen nummer” (plus elektroner neutrinoer, minus deres antipartikler). Bemærk dette er tilfredse med neutron forfald. Før forfald, vi har en neutron, som er gratis = 0, baryon antal = 1, og leptonen antal = 0. Bagefter er det også opkræve = 0 (proton = +1, elektron = -1, anti-neutrino = 0), baryon antal = 1 – (proton = 1, elektron og anti-neutrino = 0), og leptonen antal = 0 (proton = 0, elektron = 1, anti-neutrino = -1).
Baryon og leptonen antal er aldrig blevet set for at ændre i ethvert eksperiment — det ville være Nobel-Prisen-værdig — men på teoretisk grundlag vi tror, at de muligvis kan ændre sig, og sikkert gjorde i det tidlige univers. (Det ville hjælpe med at forklare, hvorfor der er mere stof end antistof i det nuværende univers.)
Men ingen forventer, at ansvaret for at ændre, hvilket er en mere håndfast bevaret mængde.
“Det ville være en af de mest overraskende ting nogensinde, hvis elektrisk ladning var ikke bevaret,” siger Carroll. “Det er derfor, at alle tænker, at elektronerne ikke forfald.”
Carroll sagde kun partikler, der er lettere end elektroner, der er elektrisk neutrale: neutrinoer, fotoner, gluoner, gravitons. Hvis der var andre lys ladede partikler, vi burde have opdaget dem nu. Dette tyder på, der er noget for elektron til at henfalde i.
“Men vi skal stadig kigge! Det er en lotteriseddel — meget usandsynligt, at du vil finde noget, men hvis du gør, får du rig,” siger Carroll. “Desværre, de havde ikke finde noget, men null resultater er en vigtig del af god videnskab.”
Læs hele undersøgelsen i Physical Review Letters: “Test af Elektrisk Ladning Bevarelse med Borexino.“
E-mail forfatteren på george@gizmodo.com og følge ham på @dvorsky. Øverste billede: Borexino Eksperiment.