將一種元素轉化成另一種元素（如通常的金）是鍊金術士們在過去狂熱的夢想和幻想的東西。事實證明，大自然在沒有我們任何幫助的情況下一直在這樣做——儘管通常不會變成金子。這種被稱為放射性的天然鍊金術發生在一種元素衰變並在衰變過程中轉變成另一種元素時。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現過，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，而不會產生其他任何東西(甚至不會產生幽靈般、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實世界中發現這種衰變，將違反物理學的基本規則之一，並引發一場尋找新衰變的競賽。但是對於無中子雙β衰變的愛好者來說，這是個壞消息：一項持續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」過程真的發生了，那將是極其罕見，現在能做的就是繼續挖掘，祈禱好運。

放射性剩餘物

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，首先要了解什麼是放射性衰變。技術高超的歐內斯特·盧瑟福發現了三種不同的衰變類型，他把它們稱為α、β和γ(為什麼不呢)。每一種衰變都會導致一種不同的能量釋放，盧瑟福發現，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。後來的實驗揭示了這些射線性質：它們只是電子。所以一些化學元素(比如銫)正在把自己轉化成其他元素(比如鋇)，在這個過程中它們會吐出電子，這到底發生了什麼事？

在我們弄清楚元素是由什麼構成的(稱為質子和中子的微小粒子)、質子和中子是由什麼構成的(甚至更小的粒子稱為夸克)以及這些實體在原子內部是如何相互作用(強核力和弱核力)之後，答案在幾十年後才會揭曉。我們了解到，中子有一天會突發奇想決定變成質子，並在這個過程中釋放出一個電子(曾經被稱為射線)。因為中子變成了質子，而質子的數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

為了使這種轉變發生，中子必須改變它的內部結構，而內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，同時產生輻射，需要把夸克從下向上「翻轉」，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，中子變成質子，一個元素變成另一個。

但是反應都是關於平衡的，以電荷為例。假設從一個中性中子開始。最後得到一個帶正電荷的質子，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「輕子數守恆」。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。它平衡什麼？另一種新粒子在反應中產生，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守恆定律嗎？是的，會的，而且會很棒。有時兩個衰變可以同時發生，但基本上是同一原子內同時發生的兩個常規衰變，雖然很少，但並不那麼有趣，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衰變的確切內部過程有點困難，但可以想像產生的中微子在逃離反應之前會與自身發生相互作用。在沒有中微子的情況下，這個假設反應只產生兩個電子，別的什麼都沒有，因此違反了萊普敦數守恆定律，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，因為第一個發現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，那麼它一定是非常、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)背後的團隊發布了第一個結果。這個實驗用了很多鉬來尋找無中子雙衰變。你猜怎麼著？沒錯，他們沒有看到任何衰變。根據他們的實驗規模和記錄時間長度，他們估計雙β衰變發生的半衰期不少於10^23年，這是目前宇宙年齡的一萬億倍多，所以這很少見。這是什麼意思？這意味著，如果我們想在這個方向上找到新的物理學，必須繼續挖掘，繼續觀察更多的衰變。

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

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