將一種元素轉(zhuǎn)化成另一種元素（如通常的金）是煉金術士們在過去狂熱的夢想和幻想的東西。事實證明，大自然在沒有我們?nèi)魏螏椭那闆r下一直在這樣做——盡管通常不會變成金子。

這種被稱為放射性的天然煉金術發(fā)生在一種元素衰變并在衰變過程中轉(zhuǎn)變成另一種元素時。通過研究一些最稀有的衰變，可以得到一些最基本的物理學線索——物理學是如此的基礎，它可能超出了我們目前的理解。其中一種難以捉摸的放射性衰變實際上從未被發(fā)現(xiàn)過，但物理學家們確實希望能找到它。

它被稱為無中子雙β衰變，這意味著放射性元素只會釋放出兩個電子，而不會產(chǎn)生其他任何東西(甚至不會產(chǎn)生幽靈般、無電荷、幾乎不存在的粒子，即中微子)。如果物理學家能夠在現(xiàn)實世界中發(fā)現(xiàn)這種衰變，將違反物理學的基本規(guī)則之一，并引發(fā)一場尋找新衰變的競賽。但是對于無中子雙β衰變的愛好者來說，這是個壞消息：一項持續(xù)時間最長的實驗結果顯示，這個過程沒有任何跡象（即失敗了，但沒有告終），這意味著，如果這個“獨角獸”過程真的發(fā)生了，那將是極其罕見，現(xiàn)在能做的就是繼續(xù)挖掘，祈禱好運。

放射性剩余物

要了解無中子雙β衰變的重要性，必須追溯到一個多世紀以前，即19世紀末，首先要了解什么是放射性衰變。技術高超的歐內(nèi)斯特·盧瑟福發(fā)現(xiàn)了三種不同的衰變類型，他把它們稱為α、β和γ(為什么不呢)。每一種衰變都會導致一種不同的能量釋放，盧瑟福發(fā)現(xiàn)，所謂的“射線”在停止之前可以穿過一些金屬薄片，走很長一段路。后來的實驗揭示了這些射線性質(zhì)：它們只是電子。所以一些化學元素(比如銫)正在把自己轉(zhuǎn)化成其他元素(比如鋇)，在這個過程中它們會吐出電子，這到底發(fā)生了什么事？

在我們弄清楚元素是由什么構成的(稱為質(zhì)子和中子的微小粒子)、質(zhì)子和中子是由什么構成的(甚至更小的粒子稱為夸克)以及這些實體在原子內(nèi)部是如何相互作用(強核力和弱核力)之后，答案在幾十年后才會揭曉。我們了解到，中子有一天會突發(fā)奇想決定變成質(zhì)子，并在這個過程中釋放出一個電子(曾經(jīng)被稱為射線)。因為中子變成了質(zhì)子，而質(zhì)子的數(shù)量決定了是哪種元素，我們幾乎可以神奇地讓元素變成其他元素。

重要的輕子

為了使這種轉(zhuǎn)變發(fā)生，中子必須改變它的內(nèi)部結構，而內(nèi)部結構是由稱為夸克的更小粒子組成。特別是，中子有一個“上”夸克和兩個“下”夸克，而質(zhì)子則相反：一個“下”夸克和一對“上”夸克。所以要把一種元素變成另一種元素，同時產(chǎn)生輻射，需要把夸克從下向上“翻轉(zhuǎn)”，宇宙中只有一種力可以做到這一點：弱核力。事實上，這幾乎就是弱力的全部作用：它把一種夸克變成另一種夸克。弱力起作用了，下夸克變成上夸克，中子變成質(zhì)子，一個元素變成另一個。

但是反應都是關于平衡的，以電荷為例。假設從一個中性中子開始。最后得到一個帶正電荷的質(zhì)子，這是一個禁忌，所以需要一些東西來平衡它：帶負電荷的電子。還需要另一種平衡：總輕子數(shù)必須保持不變。輕子只是一些最小粒子的一個花哨名字，比如電子，這種平衡行為的花哨術語是“輕子數(shù)守恒”。就像電荷一樣，必須平衡故事的開頭和結尾。在這種情況下，從零輕子開始，但以一個電子結束。它平衡什么？另一種新粒子在反應中產(chǎn)生，一種反中微子，它被認為是負的，平衡了一切

需要中微子嗎？

問題是：可能存在一種根本不需要中微子的衰變，但這難道不會違反這個非常重要的輕子數(shù)守恒定律嗎？是的，會的，而且會很棒。有時兩個衰變可以同時發(fā)生，但基本上是同一原子內(nèi)同時發(fā)生的兩個常規(guī)衰變，雖然很少，但并不那么有趣，它會釋放出兩個電子和兩個反中微子。但是有一個假設的雙衰變不釋放中微子。這種方法只有在中微子是它自己的反粒子時才有效，這意味著中微子和反中微子是完全相同的東西。在我們目前對所有粒子的知識水平上，真的不知道中微子是否有這樣的行為。

要描述這種所謂的無中微子雙β衰變的確切內(nèi)部過程有點困難，但可以想象產(chǎn)生的中微子在逃離反應之前會與自身發(fā)生相互作用。在沒有中微子的情況下，這個假設反應只產(chǎn)生兩個電子，別的什么都沒有，因此違反了萊普敦數(shù)守恒定律，這將打破已知的物理學，這將是非常令人興奮的。因此，科學家們正在尋找類似的東西，因為第一個發(fā)現(xiàn)的小組很可能會獲得諾貝爾獎。在過去的幾十年里，許多實驗來來去去都運氣不佳，這意味著，如果這個過程在自然界中存在，那么它一定是非常、非常罕見的。

罕見的如何？在一篇論文中，先進鉬基稀有工藝實驗(AMoRE)背后的團隊發(fā)布了第一個結果。這個實驗用了很多鉬來尋找無中子雙衰變。你猜怎么著？沒錯，他們沒有看到任何衰變。根據(jù)他們的實驗規(guī)模和記錄時間長度，他們估計雙β衰變發(fā)生的半衰期不少于10^23年，這是目前宇宙年齡的一萬億倍多，所以這很少見。這是什么意思？這意味著，如果我們想在這個方向上找到新的物理學，必須繼續(xù)挖掘，繼續(xù)觀察更多的衰變。

博科園-科學科普｜文: Paul Sutter（天體物理學家?）/Live Science

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