Se presupune că nimic nu poate încetini ori accelera descompunerea radioactivă a elementelor chimice. Şi totuşi, se pare că Soarele influenţează în acest sens unii dintre locatarii tabelului lui Mendeleev. Stuart Clark face o radiografie a fenomenului.
Era una dintre acele seri. Ştii şi tu cum este: după o zi obositoare la muncă, tot ce vrei să faci e să te relaxezi în faţa televizorului. Ultimul lucru la care te-ai aştepta e să faci o descoperire care ar putea schimba faţa fizicii moderne.
Şi, totuşi, chiar aşa ceva i s-a întâmplat lui Jere Jenkins pe 13 decembrie 2006. După o zi plină la laborator, el îşi aminteşte că urmărea ştirile de la televizor într-o stare “semi-catatonică”. Povestea de la televizor se învârtea în jurul modului în care astronauţii s-au aflat în exteriorul Staţiei Spaţiale Internaţionale în timpul unei furtuni solare şi s-au expus unor fascicule de raze X.
Jenkins deodată s-a dezmeticit şi a devenit atent. Acesta putea fi răspunsul unei probleme pe care o întâlnise la muncă. Rezultatele unuia dintre experimentele lui sugera că Soarele cumva accelera descompunerea radioactivă a unui izotop pe care el îl studia – un lucru care, teoretic, nu era posibil. Jurnalul de ştiri i-a oferit o idee asupra modului în care îşi putea testa ciudata constatare. Dacă soarele afecta într-adevăr ratele radioactive de înjumătăţire, se întreba el, ce s-ar întâmpla atunci când o furtună solară ar lovi direct Pământul? El şi-a scos laptopul, s-a logat pe serverul universităţii şi şi-a verificat experimentul. Ceea ce a descperit acolo l-a şocat.
Ratele de descompunere acceleraseră în timpul furtunii solare, ca şi cum "miasma" radiaţiei solare ar fi protejat izotopul într-un anumit fel. Era ori un soi de coincidenţă crudă, ori o altă dovadă a unei enigme din ce în ce mai ciudate. Dar asta nu era tot: o analiză mai detaliată a arătat că ratele de descompunere începuseră să accelereze cu mai mult de 24 de ore înainte ca erupţia solară să fie vizibilă.
“Noi observăm lucruri care par a fi legate de Soare”, spune Ephraim Fischbach, care lucrează cu Jenkins la Universitatea Purdue din Indiana. Dar pentru ca Soarele să fie cu adevărat responsabil pentru comportamentul ciudat al izotopului, un pilon de bază al fizicii nucleare ar trebui să fie înlăturat şi poate chiar ar trebui să fie invocată o a cincea forţă a naturii.
Înapoi în timpul anilor 1930, pionierul nuclear şi prima persoană care a divizat atomul, Ernest Rutherford, a concluzionat că nimic nu influenţează timpii de înjumătăţire ai descompunerii radioactive. Fiecare izotop se descompune pe baza propriilor lui reguli atunci când se află în izolare faţă de mediu. În deceniile care au urmat, ideea lui Rutherford a devenit o parte consacrată a legilor fizicii. Deci, nu a fost surprinzător faptul că, atunci când Jenkins şi Fischbach şi-au publicat rezultatele care arătau că, atunci când orbita eliptică a Pământului ne aduce planeta mai aproape de soare, izotopii se descompun mai repede, ei au fost întâmpinaţi nu numai cu scepticism, ci şi cu ostilitate.
“Criticile au fost devastatoare”, spune Fischbach, “chiar şi din partea oamenilor care mă cunoşteau şi ştiau modul grijuliu în care eu lucrez. Exista o credinţă copleşitoare că noi am greşit, chiar dacă criticii noştri nu puteau spune în ce mod.”
Totuşi, ei nu au fost primii care au observat ceea ce părea a fi o variaţie anuală a ratelor de descompunere radioactiva. În 1986, Dave Alburger de la Laboratorul Naţional Brookhaven din statul New York a publicat un studiu despre un comportament similar al ratei de descompunere pentru siliciu-32. Descompunerea era cea mai rapidă în februarie şi cea mai înceată în august – exact ceea ce Jenkins şi Fischbach descoperiseră în cazul manganului-54. Acest fapt i-a motivat să-şi continue cercetarea în ciuda primirii negative de care s-a "bucurat" lucrarea lor.
A cincea forţă
Ştiind că descoperirea s-ar putea datora unui defect al echipamentului folosit, perechea de cercetători a studiat rezultatele altor experimente, cum ar fi cel al lui Alburger sau cel care folosea radiu-226 de la Institutul Naţional de Metrologie german sau PTB, cu sediul în Braunschweig. În timpul celor doi ani în care cele două experimente s-au suprapus, ei pretind că ratele de descompunere s-au schimbat în acelaşi timp şi cu aceeaşi măsură. Dacă toate acestea sunt adevărate, ar putea indica faptul că efectul este real şi nu doar rezultat al unor erori datorate echipamentului.
Un astfel de argument nu îl convinge pe criticul numărul 1 al lui Jenkins şi Fischbach, Eric Norman de la Universitatea California, Berkeley. “Ei au reanalizat datele obţinute de alte persoane pentru a regăsi acele trăsături, dar, totuşi, oamenii care ştiu cele mai multe despre modul în care acele date au fost colectate, nu vin să-i susţină”, spune el.
Într-adevăr, din 2006 a existat un număr de contestaţii din partea lui Norman şi a altora. Una din cele mai acuzatoare a venit din partea lui Peter Cooper de la Fermilab din Batavia, Illinois. El a studiat naveta spaţială Cassini a celor de la NASA, care este alimentată de un radioizotop. Cooper a presupus că, având în vedere faptul că vehiculul Cassini zbura de 10 ori mai departe de Soare decât Pământul, orice efect solar ar trebui să fie de 100 de ori mai mic – însemnând că izotopul ar trebui să se descompună mai încet decât o face pe Pământ. Totuşi, Cooper nu a observat nimic ieşit din comun.
Fără să fie descurajaţi, Jenkins şi Fischbach au lucrat mai departe, găsind dovezi ale unor variaţii anuale şi în ratele de descompunere ale altor izotopi. Deci, cine are dreptate? Poate amândoi. Potrivit lui Fischbach şi Jenkins, efectul pe care ei l-au observat are loc doar în cazul izotopilor care prezintă una din cele trei forme de descompunere radioactivă: emisii de particule beta. “Nu am observat nimic în cazul izotopilor care prezintă descompuneri alfa”, spune Jenkins. Acest detaliu ar putea explica motivul pentru care Cooper nu a observat nicio schimbare în cazul Cassini, care este alimentat prin descompunerile radioactive alfa ale plutoniului-238.
Totuşi, Norman observă o problemă în cazul acestei interpretări. Mai degrabă decât să experimenteze o descompunere singulară, cele mai multe materiale radioactive suferă o serie de transformări de la un izotop sau element la altul. Fiecare etapă poate emite radiaţie alfa, beta sau gama şi prezintă propriul timp de înjumătăţire. Norman subliniază faptul că izotopul de radiu-226 folosit în experimentul PTB se descompune mai întâi printr-o dezintegrare de tip alfa, emiţând deci o particulă alfa. Având în vedere că acest proces prezintă un timp de înjumătăţire de 1600 de ani – mult mai lung decât oricare alt timp de înjumătăţire din lanţul descompunerilor – el spune că acesta ar trebui să determine rata de descompunere a întregului lanţ. Dacă descompunerea particulelor alfa este neafectată, aşa cum Jenkins şi Fischbach suspectează, atunci rezultatele experimentului PTB ar trebui să rămână neschimbate odată cu trecerea anotimpurilor.
Fischbach răspunde la aceasta, precizând faptul că sursa PTB avea o vechime de 40 de ani la momentul experimentului şi conţinea prin urmare o cantitate semnificativă din izotopul fiică radon-222, care prezintă dezintegrare beta. El crede că schimbările pe care ei le-au observat provin din această perioadă a procesului de descompunere.
Cu scopul de a-şi dezvolta descoperirile, Fischbach a venit cu ideea unui posibil mecanism de explicare a descoperirilor: o nouă formă de reacţie nucleară care emite o particulă ipotetică numită neutrello, care este prezentă cu prevalenţă în compoziţia stelelor.
Fischbach deja a început să descrie proprietăţile particulei neutrello. Pentru ca aceste particule să-i poată influenţa experimentul, ele trebuie să fie capabile să străbată Pământul pentru că explozia solară din 13 decembrie 2006 a avut loc în timp ce în Indiana era noapte. În mod similar, un eveniment solar de pe 16 decembrie 2008, care a avut loc pe partea îndepărtată de noi a Soarelui, a apărut în cadrul datelor lor, însemnând că Soarele, de asemenea, trebuie să fie transparent în cazul particulelor neutrello.
Particulele neutrello ar trebui să interacţioneze cu nucleele atomice mai puternic decât permit teoriile actuale din fizică.
Această abilitate nu este singurul motiv pentru care, la prima vedere, particulele neutrello par a fi asemănătoare neutrinilor, particulele fantomă produse de reacţiile nucleare din inima Soarelui. Spre deosebire de lumină, căreia îi ia zeci de mii de ani pentru a călători din centrul Soarelui până la suprafaţa acestuia, neutrinii zboară direct în spaţiu în număr vast. Aici pe Pământ, aproape 60 de miliarde dintre ei trec prin fiecare centimetru pătrat în fiecare secundă. Aceasta nu este o constantă: atunci când Pământul este mai aproape de soare pe orbita sa, numărul de neutrini care ajung la planeta noastră creşte cu câteva procente. Acest lucru a fost confirmat de detectorul de neutrini Super-Kamiokande din Japonia, care prinde câteva duzini de neutrini pe zi cu o mică creştere în ianuarie, atunci când suntem mai aproape de Soare.
Descompunere nucleară sezonieră
Dacă Soarele dă naştere unor particule numite neutrello care accelerează dezintegrarea radioactivă, atunci rata de descompunere va fi maximă în februarie, atunci când Soarele este şi cel mai aproape de Soare şi, de asemenea, "vede" şi ce mai mult din emisfera solară nordică
Credit imagine: New Scientist
Este nevoie de 50.000 de tone de apă ultra-pură pentru ca Super-Kamiokande să fie destul de sensibil pentru a înregistra această diferenţă. Jenkins şi Fischbach şi-au putut observa efectul în doar 10 picograme de mangan-54. Şi aici stă şi problema: particulele neutrello trebuie să interacţioneze cu nucleele radioactive mult mai puternic decât spune că este posibil orice teorie a fizicii, sugerând că există o a cincea forţă a naturii în afara gravitaţiei, electromagnetismului şi a forţelor nucleare tari şi slabe.
Până acum, Fischbach nu are nicio idee despre modul în care o astfel de particulă sau forţă s-ar putea îmbina cu cele pe care noi le cunoaştem. “Noi înţelegem că sună nebuneşte”, spune Fischbach. Dar atunci când ai eliminat toate posibilităţile, improbabilul trebuie să fie adevărat. Orice altceva am folosit pentru a explica aceste date pur şi simplu nu a funcţionat.”
Un alt factor care complică lucrurile este detaliul că variaţia în ratele de descompunere radioactivă nu este în conformitate cu distanţa la care se află Pământul faţă de Soare. Chiar dacă Pământul este cel mai aproape de Soare în ianuarie, ratele de descompunere sunt maxime în februarie. În mod similar, ratele de descompunere ajung la minim în august, la o lună după ce orbita Pământului ne aduce cel mai departe de soare. Fischbach crede că aceasta se datorează faptului că orbita Pământului nu se află în jurul mijlocului Soarelui, ci este înclinată cu aproximativ 7 grade. În martie, planeta noastră ajunge la cea mai mare înălţime deasupra ecuatorului solar, deci vedem emisfera nordică a Soarelui mult mai mult decât în orice altă perioadă a anului. Şase luni mai târziu, în septembrie, vedem mult mai mult emisfera sudică. Dacă mai multe particule neutrello sunt produse în emisfera nordică a Soarelui decât în cea sudică, atunci combinarea acestor informaţii cu faptul că orbita cea mai apropiată este prezentă în ianuarie ar putea determina faptul că maximul bombardamentului cu particule neutrello a Pământului are loc în februarie.
Aceasta nu este o idee chiar atât de absurdă. Fizicienii care studiază Soarele sunt conştienţi de un număr de asimetrii între cele două emisfere ale Soarelui. La mijlocul anilor 1990, naveta spaţială Ulysses a Agenţiei Spaţiale Europene a scanat întregul Soare şi a descoperit faptul că viteza medie a vântului solar era cu 15 până la 25 de kilometri pe secundă mai mare aproape de polul nord decât de cel sudic. Există, de asemenea, o vastă literatură despre asimetriile nord-sud în ceea ce priveşte activitatea solară. Ceea ce nu este încă clar, totuşi, este dacă aceasta are legătură cu modul în care sunt produşi neutrinii. Dacă această legătură există, aceasta ar putea sugera diferenţe în ceea ce priveşte particulele neutrello provenind de la nord sau sud.
Chiar dacă particulele neutrello par a interacţiona mult mai puternic decât o fac neutrinii, Jenkins şi-ar dori nespus de mult să plaseze un izotop cu descompunere beta într-un fascicul neutrino, cum este cel tras de CERN de la Geneva în Elveţia la Gran Sasso în Italia. Aceasta ar putea părea a fi cea mai bună cale posibilă de a testa dacă particulele neutrello sunt un anumit tip de neutrini, sau ceva mai exotic. Strângerea banilor necesari pentru construirea experimentelor este o luptă contra curentului, totuşi. “Nivelul criticilor îndreptate împotriva noastră ar putea să fie pe un trend descendent”, spune Jenkins, “dar noi tot părem a fi pe marginea prăpastiei”.
Apoi, există pretinsa legătură cu exploziile solare, care implică faptul că, indiferent ce ar fi particulele neutrello, ele au legătură sau chiar produc activitatea solară. Acest aspect al lucrării a intrat în atenţia celorlalţi în iunie, atunci când Jenkins şi colegii săi au sugerat că ar putea oferi un viitor sistem de avertizare timpurie pentru exploziile solare.
Danielle Fargion, fizician la Universitatea Sapienza din Roma, Italia, a studiat modul de producere a neutrinilor în timpul furtunilor solare. În conformitate cu calculele sale, astfel de particule sunt produse prin descompunerea particulelor pion la sfârşitul coliziunilor dintre protoni şi a altor nuclee atomice care au loc în timpul furtunilor, crescând numărul neutrinilor care se îndepărtează de Soare. Totuşi, nici măcar Super-Kamiokande nu este îndeajuns de sensibil pentru a detecta această creştere.
Deci care este modul prin care Fischbach şi Jenkins pot observa începutul unui efect izotopic cu o zi înainte ca o explozie solară să aibă loc? Ei, de asemenea, nu pot explica motivul pentru care exploziile solare produc prăbuşirea ratelor de descompunere.” Eu sunt foarte sceptic. Nu îmi pot imagina un efect rezonabil care ar putea face ca acestea să devină posibile”, spune Fargion.
Chiar atunci când totul părea a fi complet acoperit de contradicţii şi complicaţii, o nouă abordare a pus din nou totul pe masă. Norman, criticul numărul unu al lui Jenkins şi Fischbach, a găsit el însuşi un semnal prin reanalizarea unuia dintre propriile experimente. El se pregăteşte să publice o lucrare, dar avertizează că semnalul este foarte slab.
Dar chiar şi doar atât este de ajuns pentru Fischbach. El a studiat descompunerea beta de-a lungul întregii sale cariere, astfel că glumeşte: “Dacă crezi că înţelegi descompunerea beta, probabil că nu este cazul. Există pe moment prea multe complicaţii pe care oamenii încearcă să le ascundă sub preş.” El subliniază faptul că, având în vedere că timpii de înjumătăţire variază de la 0.5 secunde la 10 miliarde de ani, radioactivitatea trebuie să depindă de structura nucleară, prin urmare, orice fel de influenţă asupra descompunerii beta nu ar trebui să fie observată în acelaşi mod de izotopi diferiţi. Aceasta ar putea, de asemenea, explica motivul pentru care unii izotopi cu descompunere beta prezintă doar un efect minor sau chiar deloc (Vezi subcapitolul “Mesajul de pe Messenger”, de mai jos).
Norman nu este însă impresionat. “Sunt în continuare foarte sceptic”, spune el. “Sentimentul meu e că acesta este un efect sistematic în ceea ce priveşte detectoarele.” Pentru a testa acest lucru, el derulează noi experimente folosind un emiţător alfa şi doi izotopi beta diferiţi. El este destul de tăcut în ceea ce priveşte descoperirile pe care le-a făcut până acum, precizând doar faptul că se aşteaptă să-şi publice rezultatele la începutul anului 2013.
Jenkins şi Fischbach cercetează şi ei pe mai departe problema. Având în vedere că au obţinut o nouă sursă de mangan-54, au colectat noi date în ultimii trei ani. Au configurat, de asemenea, un experiment identic la Academia Aviaţiei Statelor Unite din Colorado Springs. Pot număra 20 de cazuri de rate de descompunere radioactivă variabile publicate de o jumătate de duzină de grupuri de cercetare independente. Chiar dacă sunt numai probleme de detecţie, ele trebuie să fie explicate.
“Partea amuzantă cu toate astea este că pentru unii noi suntem eroi; pentru alţii suntem nişte paria”, spune Fischbach. “Adevărul este că nu suntem nici una, nici alta. Doar ne facem treaba. Nu avem de ales, trebuie doar să ne facem treaba.”
Mesajul de pe Messenger
Atunci când NASA a lansat misiunea Messenger cu destinaţia Mercur pe 3 august 2004, agenţia nu ştia că avea să efectueze astfel şi un experiment de fizică nucleară. Totuşi, chiar asta s-a întâmplat. La scurt timp după lansare, spectrometrul pentru raze gama şi neutroni al navetei spaţiale, care avea ca scop maparea compoziţiei suprafeţei planetei Mercur, a început să trimită înapoi date care indicau faptul că ceva de pe navă era radioactiv.
Analizele au arătat că acel ceva trebuia să fie o infimă cantitate de cesiu-137. Nimeni nu ştie cum a ajuns aceasta pe naveta spaţială, deşi este posibil să se fi aflat în oţelul contaminat. Având în vedere că NASA încearcă să afle motivul apariţiei acestor date, Ephraim Fischbach a început să le analizeze. Spre deosebire de alte elemente cu descompunere beta pe care el le-a studiat (vezi cele de mai sus), timpul de înjumătăţire al cesiului-137 se schimbă aproape imperceptibil odată cu anotimpurile. El a vrut să vadă dacă o aventură atât de aproape de Soare ar putea schimba acest fenomen. Din păcate pentru teoria sa, efectul este atât de minor, încât creşterea prezumtivă a efectului rămâne echivocă.
Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului Half-life strife: Seasons change in the atom's heart, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Alexandru Hutupanu
