واپاشی بتایی دوگانه سرانجام مشاهده شد

فیزیکدان‌های هسته‌ای دانشگاه کالیفرنیا در ایروین سرانجام پس از چند ده سال تلاش واپاشی رادیو‌اکتیو یکی از ایزوتوپ‌های سلنیوم را مشاهده کردند. با توجه به اینکه شانس واپاشی هر اتم این ایزوتوپ بعد از 1020×1ر1 سال (زمانی در حدود 10 میلیارد برابر سن تخمینی جهان) فقط 50 درصد است، این انتظار نه تنها طولانی نبود، بلکه به دردسرش هم می‌ارزید. مایکل مو، الن هان، واستیو الیوت، طولانی‌ترین نیمه عمری را که تاکنون در آزمایشگاه اندازه‌گیری شده است به دست آوردند؛ از این مهم‌تر این‌که، برای نخستین بار یکی از نادرترین انواع رادیو‌اکتیویته، یعنی واپاشی بتایی دوگانه را مستقیماً مشاهده کردند. این واپاشی نیم قرن قبل پیش‌بینی شده بود.
واپاشی بتایی معمولی وقتی صورت می‌گیرد که در هستة یک اتم، نوترونی خود به خود به یک پروتون، یک الکترون (ذرة بتا) و یک نوترینو تبدیل می‌شود؛ پروتون در هسته باقی می‌ماند و الکترون و نوترینو از هسته دفع می‌شوند. از آن‌جا که بار مثبت هستة اتم یک واحد زیاد می‌شود، هسته در جدول تناوبی عناصر یک خانه بالاتر می‌رود. در این فرایند کربن 14 بتدریج فرو می‌پاشد و به ازت 14 تبدیل می‌شود؛ و تریتیوم (هیدروژن 3) به هلیوم 3 تبدیل می‌شود. اتمی که دست‌خوش واپاشی خود به خودی بتایی می‌شود، با دفع یک الکترون و یک نوترینو، قسمتی از انرژی بستگی هسته‌اش را از دست می‌دهد. به همین دلیل است که بعضی عناصر نمی‌توانند دچار واپاشی بتایی شوند، زیرا عناصر بعدی آن‌ها در جدول تناوبی، هسته‌هایی دارند که انرژی بستگی‌شان بیشتر است. در سال 1935 نظریه‌دان‌ها پیش‌بینی کردند که ممکن است این محدودیت به طریقی از میان برود. گهگاه ممکن است در اتم چنین عنصری همزمان دو نوترون وابپاشند و در نتیجه اتم، جدول تناوبی را دو خانه یکی کند و به اتمی تبدیل شود که انرژی بستگی‌اش کمتر است. آشکار سازهای متعددی که برای ثبت این پدیده طراحی شدند، ناموفق از آب درآمدند زیرا اساساً نمی‌توانستند میان ذرات ناشی از واپاشی و ذرات بدلی تمایزی قائل شوند.
مو کار تجسس خود را در سال 1974، با انتخاب سلنیوم 82 فقط به عنوان هدف، آغاز کرد. سلنیوم که 34 پروتون دارد در جدول تناوبی قبل از بروم است که 35 پروتون دارد؛ چون انرژی بستگی هسته‌ای بروم بیشتر است، سلنیوم 82 فقط می‌تواند به کریپتون 82 که 36 پروتون دارد و انرژی بستگی هسته‌ای‌اش کمتر است وابپاشد. محققان انستیتو فیزیک هسته‌ای ماکس‌پلانک در هایدلبرگ با تحلیل ردهای کریپتون 82 در معادن یک میلیارد سالة سلنیوم، به برآوردی غیر دقیق برای نیمة عمر سلنیوم 82 دست یافتند. مو توضیح می‌دهد که "هدف ما تعیین نیمه عمر بود و به آن نشانه رفتیم". به علاوه تصور می‌شد که انرژی‌گذار سلنیوم 82 زیاد است و در نتیجه الکترون‌های حاصل از واپاشی را می‌توان به سهولت از تابش زمینه تمیز داد. آزمایش‌های انستیتو ماکس‌پلانک نشان داده بود که شانس واپاشی هر اتم سلنیوم 82، در هر دورة زمانی بینهایت کوچک است. تنها راه غلبه بر این مشکل آن است که تعداد زیادی از اتم‌های این ایزوتوپ کمیاب گردآوری شود. مو 14 گرم (در حدود 1023 اتم) سلنیوم از آزمایشگاه ملی اُک‌ریج به دست آورد که در عملیات تصفیة مواد برای سلاح‌های هسته‌ای تولید شده بود. این بزرگترین نمونه‌ای است که تاکنون در ایالات متحده تولید شده است.
مو ابتدا سلنیوم را در آشکارسازی قرار داد که برای آزمایش‌های دیگر فیزیک ذرات طراحی شده بود، اما پس از آنکه این آشکارساز شش سال تمام رویدادهای بدلی را ثبت کرد آن را کنار گذاشت و با همکاری هان و الیوت آشکارساز جدیدی ساخت که اتاقک "تصویر ـ زمان" نامیده می‌شود. این اتاقک با هلیوم پر شده است؛ وقتی که الکترون‌ها از گاز عبور می‌کنند، مسیری از یون‌ها به جا می‌گذارند، و این یون‌ها در سیم‌هایی که جدار داخل اتاقک را پوشانده‌اند تپ‌هایی القا می‌کنند. با تحلیل علایم حاصل از سیم‌ها پژوهشگران می‌توانند سرچشمه، مسیر، و انرژی الکترون‌هایی را که از اتاقک می‌گذرند تعیین کنند. گسیل دو نوترینو در هر واپاشی از رفتار الکترون‌ها استنباط می‌شود.
چندین سال طول کشید تا این گروه توانست نوفة زمینه را کاهش بدهد و آن‌گاه در اوایل سال 1986، به طور منظم شروع به ثبت واپاشی بتایی دوگانه کرد. این رویداد هر سه یا چهار روز یکبار رخ می‌داد؛ با توجه به این بسامد و تعداد کل اتم‌های موجود در نمونه سلنیوم 82، پژوهشگران عدد 1020×1ر1 را برای نیمه عمر به دست آوردند که تقریباً با نتیجة تحلیلگران گروه ماکس‌پلانک سازگار است.
هان معتقد است که، ماهیت معین و دقیق نتایج حاصل، نشانه‌ای است برای نظریه‌دان‌های هسته‌ای که بتوانند مدل‌های خود را بیازمایند. او به خصوص خاطر نشان می‌کند که این داده‌ها ممکن است محققان زیادی (منجمله در ایروین) را به جستجو برای نوع غریبی از واپاشی بتایی دوگانه که در آن هیچ نوترینویی تولید نمی‌شود بکشاند. واپاشی بتایی دوگانه با هیچ نوترینو، می‌تواند دست‌کم در دو مد رخ بدهد: یا نوترینوهای دفع شده از نوترون‌های واپاشیده یکدیگر را نابود می‌کنند و به انرژیی تبدیل می‌شوند که به دو الکترون داده می‌شود، و یا نوترینوها در هم ادغام می‌شوند و ذره‌ای فرضی بنام ماجورون تشکیل می‌دهند.
هان می‌گوید که، آشکارسازی هر یک از مدهای واپاشی "صفر ـ نوترینو"، مبیّن آن است که نوترینوها دارای جرمند و به این ترتیب نتایج غیرمنتظره‌ای برای تمام رشته‌های فیزیک در برخواهد داشت. مثلاً نظریه‌پردازانی که می‌خواهند گرانش، نیروی الکتروضعیف، و نیروی هسته‌ای قوی را در غالب نظریه‌ای موسوم به وحدت بزرگ توضیح بدهند، وجود نوترینویی را پیشنهاد کرده‌اند که دارای جرم است. جرم نوترینو همچنین در پیش‌گویی‌های مربوط به اینکه آیا در جهان به قدر کافی "ماده تاریک" وجود دارد که انبساط کنونی آن ‌را متوقف کند، نقش اساسی دارد.
فعلاً در حدود 10 آزمایش به خصوص برای یافتن واپاشی بتایی دوگانة بی نوترینو در جهان در دست انجام است. اونیون از دانشگاه کارولینای جنوبی و برادزینسکی از آزمایشگاه شمال ‌غرب پاسیفیک در ریچلند بر رفتار بلوری از ژرمانیوم 76 (که باید به سلنیوم 76 وابپاشد) نظارت دارند. این بلور در یک معدن طلا در داکوتای جنوبی قرار دارد. آن‌ها در اوایل سال گزارش کردند که فعلاً شواهدی گذرا حاکی از واپاشی بتایی دوگانه به صورت ماجورون پیدا کرده‌اند. صحت این گزارش را سایر محققان تأیید نکردند و آونیون اعتراف کرد که "ما به داده‌ای روشن‌تری نیاز داریم". او خاطرنشان می‌کند که نتایج تیم ایروین، او و سایر محققان را هم از نظر شناخت بیشتر هسته سلنیوم و هم در نشان دادن فرآیند واپاشی بتایی دوگانه (دست‌ کم معمول‌ترین شکل آن) کمک خواهد کرد.