Pusamžio svyravimas: metų laikai keičia atomų būdą

Tačiau būtent tai nutiko Jere'iui Jenkinsui 2006-ųjų gruodžio 13-ąją. Po įtemptos dienos laboratorijoje, jis prisimena žiūrėjęs žinias „pusiau katatoniškos“ būklės. Reportažas buvo apie tai, kaip astronautai buvo TKS išorėje per Saulės audrą ir juos apšvitino rentgeno spindulių blyksnis.

Jenkinsas atsisėdo susidomėjęs. Tai galėjo būti atsakymas į darbe iškilusį galvosūkį. Vieno jo eksperimento rezultatai rodė, kad Saulė kažkaip spartino jo studijuojamų izotopų radioaktyvųjį skilimą – to būti neturėjo. Naujienų pranešimas suteikė jam idėją, kaip būtų galima patikrinti šį neįprastą atradimą. Jei Saulė išties veikia radioaktyvųjį skilimą, susimąstė jis, kas nutiktų, jei Saulės audra tvykstelėtų tiesiai į Žemę? Išsitraukęs kompiuterį, prisijungė prie interneto serverio ir patikrino savo eksperimentą. Vaizdas jį pribloškė.

Skilimo sparta per audrą sumažėjo, lyg Saulės radiacija būtų kažkaip uždengusi izotopus. Tai buvo arba neįtikėtinas atsitiktinumas, arba dar vienas vis keistesnės dėlionės elemento įrodymas. Bet tai dar ne viskas: detalesnė analizė parodė, kad skilimas pradėjo lėtėti likus daugiau, nei 24 valandoms iki matomų audros požymių.

„Atrodo, stebime su Saule susijusius dalykus,“ sako Ephraimas Fischbachas, dirbantis su Jenkinsu Purdue universitete Indianoje. Bet jei dėl keisto izotopų elgesio tikrai kalta Saulė, tai reikštų atraminio branduolinės fizikos bokšto nuvertimą ir gal netgi penktosios gamtos sąveikos atradimą.

Tolimame ketvirtajame dešimtmetyje, branduolinės fizikos pionierius ir žmogus, pirmasis suskaldęs atomą, Ernestas Rutherfordas, padarė išvadą, kad radioaktyviajam skilimui įtakos nedaro niekas. Kiekvienas izotopas skyla pagal savo taisykles, nepaisant aplinkos. Vėlesniais dešimtmečiais Rutherfordo idėja buvo neišdildomai įrėžta fizikos dėsniuose. Tad, nenuostabu, kad Jenkinso ir Fischbacho publikuoti rezultatai, rodantys, kad Žemei šiek tiek elipsine orbita priartėjus prie Saulės, izotopai skyla sparčiau, buvo sutikti ne tik skeptiškai, tačiau ir priešiškai.

„Kritiškumas buvo aršus,“ prisimena Fischbachas, „netgi iš mane pažįstančių žmonių, žinančių, kaip kruopščiai dirbu. Yra visa užgožiantis tikėjimas, kad klystame, net jei mūsų kritikai negali nurodyti kodėl.“

Tačiau jie nebuvo pirmieji, pastebėję metinį radioaktyvaus skilimo spartos kitimą. 1986 m., Dave'as Alburgeris iš Brookhaveno nacionalinės laboratorijos Niujorko valstijoje paskelbė apie panašią silicio-32 (³²Si) skilimo spartos kaitą. Skilimas buvo sparčiausias vasarį ir lėčiausias rugpjūtį – tiksliai tą patį Jenkinsas ir Fischbachas stebėjo vykstant su manganu-54 (⁵⁴Mn). Tai padrąsino juos tęsti tyrimus, nepaisant neigiamo jų publikacijos vertinimo.

Penktoji jėga

Suvokdami, kad atradimas galėjo būti tiesiog įrangos klaida, jie ištyrė kitų eksperimentų rezultatus, tarp kurių ir Alburgerio, naudojančio radį-226 (²²⁶Ra) Vokietijos nacionaliniame metrologijos institute, kitaip PTB, Braunschweige. Šių eksperimentų vykdymo laikas du metus sutapo, kaip ir skilimo laikas, bei dydis. Jei tai tiesa, tai efektas yra tikras, o ne įrangos klaida.

Toks argumentas neįtikina Jenkinso ir Fischbacho kritiko, Erico Normano iš Kalifornijos universiteto Berklyje. „Jie analizavo kitų žmonių duomenis, ieškodami šių ženklų, tačiau žmonės, apie tų duomenų kaupimą žinantys daugiausiai, nesirodo ir jų neremia," teigia jis.

Išties, nuo 2006 Normanas ir kiti pateikė keletą paneigimų. Vieną iš rimčiausių pateikė Peteris Cooperis iš Fermilab Batavia'oje, Ilinojuje. Jis tyrė NASA Cassini zondą, kuriam energiją tiekia radioizotopas. Cooperis argumentuoja, kadangi Cassini skriejo 10 kartų toliau nuo Saulės, nei Žemė, bet koks Saulės poveikis turėtų būti 100 kartų mažesnis – izotopas turėtų skilti lėčiau, nei tai vyksta Žemėje. Tačiau Cooperis nepastebėjo nieko neįprasto.

Tačiau Jenkinsas ir Fischbachas laikėsi savo, pateikdami kitų izotopų skilimo spartos metinio kitimo įrodymus. Tad, kas teisus? Gali būti, kad abu. Pasak Fischbacho ir Jenkinso, efektas pasireiškia tik su tais izotopais, kurie skyla vienu iš trijų radioaktyvaus skilimo būdų: skleisdami beta (β) daleles. „Nepastebėjome nieko panašaus alfa skilimo atveju,“ pažymi Jenkinsas. Tai paaiškintų, kodėl Cooperis nerado kitimo žymių Cassini zonde, maitinamame plutonio-238 (²³⁸Pu) α skilimo.

Tačiau Normanas tokioje interpretacijoje mato problemą. Užuot paprasčiausiai skilę vienu skilimu, daugelis radioaktyvių medžiagų skyla keliais etapais. Kiekvienoje stadijoje gali įvykti α, β ar γ skilimas ir kiekvieno jų pusamžis yra savitas. Normanas nurodo, kad ²²⁶Ra izotopas, naudojamas PTB eksperimente, pirmiausia skyla, išspinduliuodamas alfa dalelę. Kadangi šio proceso pusamžis 1600 metų – daug ilgiau, nei kitų šios grandinės kitimų pusamžiai – jis teigia, kad tai turėtų valdyti visos grandinės skilimo spartą. Jei α skilimas neveikiamas, kaip įtaria Jenkinsas ir Fischbachas, PTB rezultatai kintant metų laikams kisti neturėjo.

Fischbachas prieštarauja, teigdamas, kad PTB šaltiniui eksperimento metu buvo jau 40 metų ir jame turėjo būti pilna dukterinio izotopo radono-222 (²²²Rn), skylančio β skilimu. Jis mano, kad stebėti pokyčiai įvyko būtent dėl šios skilimo stadijos.

Vystydamas savo idėją, Fischbachas pasiūlė galimą mechanizmą, paaiškinantį atradimus: naują branduolinės reakcijos formą, vykstančią žvaigždėse ir skleidžiančią hipotetines daleles – neutrelus.

Fischbachas jau pradėjo siaurinti neutrelų savybių ratą. Kad galėtų daryti įtaką ekperimentui, jie turi gebėti pereiti Žemę kiaurai, nes įvykus 2006-ųjų gruodžio 16-osios Saulės žybsniui, Indianoje buvo naktis. Panašiai ir 2008-ųjų gruodžio 16-osios žybsnis, įvykęs kitoje Saulės pusėje, pasirodė duomenyse, o tai reiškia, kad Saulė irgi skaidri neutrelams.

Ši savybė nėra vienintelė priežastis, dėl ko iš pirmo žvilgsnio neutrelai labai panašūs į neutrinus,vaiduokliškąsias daleles, gimstančias branduolinėse žvaigždžių reakcijose. Kitaip, nei šviesai, užtrunkančiai dešimtis tūkstančių metų, kol nusigauna iš Saulės branduolio iki paviršiaus, neutrinai tuntais skrieja tiesiai į erdvę. Čia, Žemėje, kiekvieną sekundę per vieną kvadratinį centimetrą jų praeina maždaug po 60 milijardų. Tai nėra pastovus dydis: kai Žemė arčiau Saulės, planetą pasiekiančių neutrinų skaičius keliais procentais išauga. Tai patvirtina Super-Kamiokande neutrinų detektorius Japonijoje, kasdien sugaunantis po keliasdešimt neutrinų ir šiek tiek daugiau sausį, kai būname arčiausiai Saulės.

Kad Super-Kamiokande būtų pakankamai jautrus, jam reikia 50 000 tonų itin švaraus vandens. Jenkinsas ir Fischbachas stebi efektą vos su 10 pikogramų ⁵⁴Mn. Čia ir kyla problema: neutrelai turėtų sąveikauti su radioaktyviais branduoliais daug stipriau, nei leidžia bet kuri fizikos teorija, o tai iškelia klausimą apie penktąją fundamentaliąją sąveiką, prie kitų keturių žinomų – gravitacinės, elektromagnetinės ir stipriosios bei silpnosios branduolinės.

Kol kas Fischbachas neturi supratimo, kaip tokia dalelė ar jėga derėtų su mums jau žinomomis. „Suprantame, tai skamba beprotiškai,“ sako Fischbachas. „Bet eliminavus visas tikėtinas galimybes, neįtikėtina privalo būti teisinga. Visa kita, kuo bandėme išaiškinti šiuos duomenis, netinka.“

Kitas komplikuojantis faktorius yra tai, kad radioaktyviojo skilimo sparta nėra tiesiogiai priklausoma nuo Žemės atstumo iki Saulės. Nors Žemė arčiausiai Saulės būna sausį, didžiausia skilimo sparta būna vasarį. Panašiai skilimo sparta būna mažiausia rugpjūtį, mėnesiu vėliau, nei Žemė pasiekia tolimiausią orbitos tašką.

Fischbachas mano, kad taip yra dėl to, kad Žemės orbita su Saulės pusiaujo plokštuma sudaro maždaug 7 laipsnių kampą. Kovą mūsų planeta būna pakilusi aukščiausiai virš Saulės ekvatoriaus, tad matome daugiau Saulės šiaurinio pusrutulio, nei bet kuriuo kitu metų laiku. Po šešių mėnesių, rugsėjį, matome daugiau pietinio pusrutulio. Jei Saulės šiauriniame pusrutulyje neutrelų randasi daugiau, nei pietiniame, dėl artimiausio orbitos taško sausį, Žemės intensyviausias bombardavimas neutrelais pasislenka į vasarį.

Tai nėra tokia neįtikima idėja. Saulės fizikos tyrėjai žino apie daug Saulės pusrutulių asimetrijų. Dešimto dešimtmečio viduryje Europos kosmoso agentūros (ESA) zondas Ulysses skenavo visą Saulę ir paaiškėjo, kad šiaurinio ašigalio Saulės vėjas maždaug 15 – 25 km/s greitesnis, nei pietinio. Yra nemažai duomenų apie šiaurės ir pietų aktyvumo asimetrijas. Tačiau dar neaišku, ar tai taikytina ir neutrinų atsiradimui. Jei taip, galbūt tai tinka ir neutrelų skirtumo tarp šiaurės ir pietų paaiškinimui.

Nors neutrelai, panašu, reaguoja daug stipriau, nei neutrinai, Jenkinsui labai norėtųsi į β skilimu yrantį izotopą nukreipti neutrinų srautą, panašų į šaunantį iš Ženevos Šveicarijoje į Gran Sasso Italijoje. Tai būtų geriausias būdas patikrinti ar neutrelai yra neutrinų tipas ar kažkas egzotiškesnio. Tačiau eksperimento sukūrimui būtinų pinigų rinkimas labai nelengvas. „Kritikos, nukreiptos prieš mus, lygis gal ir mažėja,“ svarsto Jenkinsas, „bet panašu, vis dar esame laikomi išsišokėliais.“

Dar yra ir numanomas ryšys su Saulės žybsniais, keliantis mintį apie tai, jog kad ir kas neutrelai bebūtų, jie susieti su Saulės aktyvumu ar gal net jį sukelia. Šis darbo aspektas susilaukė dėmesio birželį, kai Jenkinsas su kolegomis pasiūlė būsimų Saulės žybsnių ankstyvo įspėjimo sistemą.

Daniele'is Fargionas, fizikas iš Sapienza universiteto Romoje, Italijoje, tyrė neutrinų susidarymą per Saulės audras. Pagal jo skaičiavimus, šios dalelės randasi skylant pionams, susidarantiems iš protonų ir kitokių branduolių susidūrimo Saulės audroje ir gausina iš Saulės srūvančius neutrinus. Tačiau net Super-Kamiokande nėra pakankamai jautrus šio padidėjimo užfiksavimui.

Tad kaip Fischbachas ir Jenkinsas mato poveikį izotopams prieš dieną iki Saulės žybsnio? Jie taip pat negali paaiškinti, kodėl Saulės žybsniai slopina skilimo spartą. „Esu labai skeptiškas. Tiesiog negaliu įsivaizduoti efekto, kuris padarytų tai įmanoma,“ abejoja Fargionas.

Būtent tada, kai visas reikalas ėmė rodytis pernelyg sudėtingas ir prieštaringas, naujas netikėtas posūkis grąžino intrigą. Aršiausias Jenkinso ir Fischbacho kritikas Normanas rado signalą, iš naujo analizuodamas vieno savo paties vykdytą eksperimentą. Jis rengiasi rezultatus publikuoti, bet įspėja, kad signalas labai silpnas.

To pakanka Fischbachui. Jis tyrinėjo β skilimą visą savo karjerą ir pastebi: „jei manaisi suprantantis beta skilimą, tikriausiai taip nėra. Yra pernelyg daug laisvų galų, kuriuos žmonės nori pašluoti po kilimu.“ Kadangi skilimo pusperiodis yra nuo 0,5 sekundės iki 10 milijardų metų, radioaktyvumas turi priklausyti nuo branduolio struktūros, tad bet koks poveikis β skilimui nebus toks pats visiems izotopams. Tai galėtų paaiškinti, kodėl kai kuriems β būdu skylantiems izotopams poveikis būna mažas arba jo nebūna visai (žr. „Žinutė Messengeryje“).

Normanui tai įspūdžio nepalieka. „Vis dar esu labai skeptiškas,“ sako jis. „Nujaučiu, tai yra sisteminis detektorių poveikis.“ Norėdamas tai patikrinti, jis vykdo naują eksperimentą, naudodamas α šaltinį ir du skirtingus β izotopus. Kol kas apie rezultatus jis neprasitaria, tik užsimindamas, kad rezultatus tikisi paskelbti 2013 metų pradžioje.

Jenkinsas ir Fischbachas irgi nesnaudžia. Užsitikrinę naują ⁵⁴Mn šaltinį, pastaruosius trejetą metų jie rinko duomenis. Jie taip pat paruošė identišką eksperimentą JAV oro pajėgų akademijoje Colorado Springse. Jie žino apie 20 skilimo kaitos atvejų, paskelbtų pustuzinio nepriklausomų tyrimo grupių. Netgi jei tai tik detektoriaus problema, ją reikia išsiaiškinti.

„Šioje istorijoje juokingiausia tai, kad vieniems esame herojai, kitiems – parijai,“ pastebi Fischbachas. „Iš tiesų nesame nei vieni. Tiesiog atliekame savo darbus. Neturime kito pasirinkimo, tik juos tęsti.“

Žinutė Messengeryje