Двоен бета-распад

Двоен бета-распад — вид на радиоактивен распад, во која два протони истовремено се трансформираат во два неутрони во внатрешноста на атомското јадро. Како и при бета-распадот, овој процес му овозможува на атомот да се доближи блиску до оптималниот сооднос на протони и неутрони. Како резултат на овој распад, јадрото оддава две забележливи бета-честички, кои се електрони или позитрони.

Постојат два вида на двоен бета-распад: обичен двоен бета-распад и безнеутрински двоен бета-распад. При обичниот двоен бета-распад, кој е забележан кај неколку изотопи, оддадени се два електрони и две електронски антинеутрина од јадрото кое е во фаза распаѓање. При безнеутринскиот двоен бета-распад, хипотетички процес кој никогаш не бил забележан, би требало да се оддадат само електрони.

Историја

Идејата за двојно бета распаѓање за првпат беше предложена од страна на Марија Геперт Мајер во 1935 година^[1]. Во 1937 Еторе Мајорана теоретски покажа дека сите резултати на теоријата за бета распаѓање остануваат непроменети ако неутрино честичката е својата анти-честичка, односно честичката Мајорана.^[2] Во 1939 година Вендел Х. Фури предложи ако неутрино е честичката Мајорана, тогаш двојното бета распаѓање може да продолжи без испуштање на некое неутрино, преку процес кој сега се нарекува двоен бета-распад без неутринo честички^[3] Сè уште не се знае дали неутриното е Мајоранска честичка, и тоа дали, безнеутринскиот двоен бета-распад постои во природата.^[4]

Во 1930-40, прекршоците во слабите интеракции не беа познати, и како последица пресметките покажаа дека двојниот бета-распад без неутринo честички има поголема веројатност да се појави, за разлика од обичниот двоен бета-распад (ако неутрината се Мајорна честички). Предвидените полураспади беа од редот на 10^15-16години. Напорите да се набљудува процесот во лабораторија датираат од 1948 година, кога Едвард Фајрмен го направи првиот обид директно да се измери полураспадот на изотопот ¹²⁴Sn со помош на гајгеров бројач.^[5] Радиометричките експерименти во периодот на 1960 година, покажаа негативните резултати или лажно позитивни резултати, кои не беа потврдени од страна на подоцните експерименти. Во 1950 година за првпат двојниот бета-распад на полураспадот на ¹³⁰Те се измери со помош на геохемиски методи, кој изнесува 1.4 × 10²¹ години,^[6] блиску до современата вредност.

Во 1956 година, откако В-А природата на слаби интеракции беше основана, стана јасно дека полураспадот на двојниот бета-распад без неутринo честички значително ќе го надмине оној на обичниот двоен бета-распад. И покрај значителниот напредок во експериментални техники во 1960-70, експериментите за двојното бета распаѓање не беа забележани во лабораторија, до 1980-тите. Експериментите биле во можност само да воспостават долна граница за полураспадот, околу 10²¹ години. Од друга страна, геохемиските експерименти открија двоен бета-распад на ⁸²Se и ¹²⁸Te.^[4]

Двојното бета распаѓање за првпат е забележано во лабораторија во 1987 година од страна на групата на Мајкл Moe во УЗ Ирвин на ⁸²Se.^[7] Оттогаш многу експерименти го разгледуваат обичниот двоен бета-распад во други изотопи. Ниту еден од тие експерименти не произведе позитивни резултати за процесот двоен бета-распад без неутринo честички, зголемувајќи ја долната граница на полураспадот за околу10²⁵ години. Геохемиските експерименти продолжија во текот на 1990-тите години, кои давале позитивни резултати и за уште неколку изотопи. Двојниот бета-распад е најредок познат вид на радиоактивниот распад, заклучно со 2012 година, разгледуван е само во 12 изотопи, и сите имаат живот над 10¹⁸ год.^[4]

Обичен двоен бета-распад

Во овој двоен бета-распад, два неутрони во јадрото се претвораат во протони, и два електрони и два електрони антинеутрони се емитуваат. Процесот може да се смета како збир од две бета минус распада. За двојното бета распаѓање да биде можно, конечното јадро мора да има поголема поврзувачка енергија од оригиналото јадро. За некои јадра, како што се германиум-76, јадрото кое има за еден повисок атомски број, има помала поврзувачка енергија, спречувајќи го бета распаѓањето. Сепак, јадрото кое има за два повисок атомски број, селен-76, има поголема поврзувачка енергија, па двојното бета распаѓање е дозволено.

За некои јадра, процесот се јавува како замена на два протона во два неутрона, емитувајќи два електрона неутрина и апсорбирајќи два орбитални електрони. Ако разликата во масата помеѓу родителот и ќерката атоми е повеќе од 1.022 MeV / с2 (две електронски маси), друг распад е достапен. Кога масната разлика е повеќе од 2,044 MeV / с2 (четири електрони маси), испуштањето на два позитрона е можно.

Познати двојно бета-распадни изотопи

Постојат 35 природни изотопи способни за двојно бета распаѓање. Распаѓањето може да се забележи во пракса, ако распадот е забранет поради зачувување на енергијата. Ова се случува дури и кај -Z, дури и -N изотопите, кои се повеќе стабилни поради спин-спојката.

Многу изотопи се очекуваат да се удвојат со бета распаѓање. Во повеќето случаи, двојната бета распаѓање е толку ретко што тоа е речиси невозможно да се забележи во однос на позадината.

Сепак, двојното бета распаѓање на ²³⁸U (исто така алфа емитер) е измерено радиохемиски. Двата од нуклидите (⁴⁸Ca и ⁹⁶Zr), исто така теоретски можат единечно да се удвојат со бета распаѓање, но ова е исклучително потиснато и никогаш не е забележано.

Единаесет изотопи биле експериментално забележани и подложени на два неутрино двојно бета распаѓања.^[8] Во табелата подолу се содржат нуклиди со најновите експериментално измерени полураспади, заклучно со декември 2012 година.^[8]

Нуклид	Полураспад, 10²¹ години	Премин	Метод	Експеримент
Елементот Calcium не постои.	0,044+0,005 −0,004 ± 0,004		директен	NEMO-3
Елементот Germanium не постои.	1,84 +0,09 −0,08 +0,11 −0,06		директен	GERDA (2013)^[9]
Елементот Selenium не постои.	0,096 ± 0,003 ± 0,010		директен	NEMO-3
Елементот Zirconium не постои.	0,0235 ± 0,0014 ± 0,0016		директен	NEMO-3
Елементот Molybdenum не постои.	0,00711 ± 0,00002 ± 0,00054		директен	NEMO-3
Елементот Molybdenum не постои.	0,69+0,10 −0,08 ± 0,07	0⁺→ 0⁺₁	директен	Ge случајно
Елементот Cadmium не постои.	0,028 ± 0,001 ± 0,003		директен	NEMO-3
Елементот Tellurium не постои.	7200 ± 400		геохемиски
Елементот Tellurium не постои.	0,7 ± 0,09 ± 0,11		директен	NEMO-3
Елементот Xenon не постои.	2,165 ± 0,016 ± 0,059		директен	EXO-200
Елементот Neodymium не постои.	0,00911+0,00025 −0,00022 ± 0,00063		директен	NEMO-3
Елементот Uranium не постои.	2,0 ± 0,6		геохемиски

Забелешка:Во табелата погоре каде две грешки се запишани прватѕа е статистичка грешка а втората систематска.^[8]

Безнеутрински двоен распад

Процесите опишани во претходниот дел се исто така познати како две-неутрино двојно бета распаѓање, така што две неутрина (или антинеутрина) се испуштаат. Ако неутриното е Мајорана честичка (што значи дека антинеутриното и неутриното се всушност исти честички), а најмалку еден тип на неутрино има не-нулта маса (која е основана од страна на експерименти на неутрино осцилација), тогаш можно е безнеутринскиот двоен распад да се случи. Во наједноставниот теоретски пристап, за слаба размена на неутрина, двете неутрина се уништуваат едни со други, или еквивалентно, нуклеонот апсорбира неутрино, кој е емитиран од страна на друг нуклеон.

Неутрината во горниот дијаграм се виртуелни честички. Со само два електрони во завршна фаза, вкупната кинетичка енергија на електроните ќе биде онолку колку што ќе биде разликата на поврзувачката енергија на почетното и крајното јадро. Стапката на распаѓање на овој процес е приближно дадена од страна на

\Gamma =~~~~{G|M|^{2}|m_{\beta \beta }|^{2}},

каде $G$ е двојно-тело фаза фактор, $M$ е јадрен елемент на матрицата и m_ββ е делотворна Мајорана маса на електронот неутрино, дадена од страна на

m_{\beta \beta }=\sum _{i=1}^{3}m_{i}U_{ei}^{2}.

Во овој израз, m_i е масата на неутриното и U_ei се елементи на лептонското мешање на Понтекорво-Маки-Накагава-Сакатовата (PMNs) матрица. Затоа, набљудувањето на безнеутринскиот двоен бета-распад, во прилог на потврдувањето на Мајорановата природа на неутриното, ќе даде информации за апсолутна масена неутринска подреденост, и Мајорановите фази во матрицата.^[10]^[11]

Длабокото значење на процесот произлегува од "теоремата за црната кутија", која со набљудување на безнеутринскиот двоен распад, подразбира најмалку една неутрино честичка да е Мајорана честичка, без оглед на тоа дали процесот произлегува од размена на неутрина.^[12]

Експерименти

Бројни експерименти биле во потрага на безнеутрински двојни бета-распади. Скорешни и идни експерименти вклучени во потрагата се:

Завршени експерименти:
- Готард TPC
- Хајделберг-Москва
- IGEX
- NEMO
Експерименти кои сè уште собираат податоци:
- COBRA, ¹¹⁶Cd на собна температура CdZnTe кристали
- CUORE(CUORE-0), ¹³⁰Te во TeO₂ кристали.
- DCBA, тестирање на магнетно следечки детектор при KEK
- EXO, потрага по ¹³⁶Xe
- GERDA, детектор на ⁷⁶Ge
- KamLAND-Zen, потрага по ¹³⁶Xe
- MAJORANA, користи високо чисти p-типни ⁷⁶Ge контактни детектори
- XMASS користи течен Xe
Предложени/идни експереименти:
- CANDLES, ⁴⁸Ca во CaF_2, при Камиока
- MOON, во развој ¹⁰⁰Mo детектори
- AMoRE, ¹⁰⁰Mo збогатени CaMoO4 кристали при подземната лабораторија ЈангЈанг^[13]
- LUMINEU, истражување на ¹⁰⁰Mo збогатен ZnMoO₄ кристали при LSM, Франција.
- NEXT, ксенон TPC. NEXT-DEMO и NEXT-100 во текот на 2016 година.
- SNO+, течен сцинтилатор, ќе го испитува ¹³⁰Te
- SuperNEMO, надградба на NEMO, ќе го испитува ⁸²Se
- TIN.TIN, ¹²⁴Sn детектор при INO

Статус

Првите експерименти потврдиле постоење на безнеутрински двоен бета-распад, но современите екесперименти ги оспориле тие резултати. Неодамн објавените ниски граници за германиум и ксенон не покажале безнеутрински двоен бета-распад.

Хајделберг-Московски спор

Соработката меѓу Хајделберг и Москва првично успеала да добие безнеутрински двоен бета-распад кај ⁷⁶Ge.^[1] Подоцна некој членови тврделе дека го забележале во 2001 одина.^[14] Ова тврдење било критикувани од други физичари^[1]^[15]^[16] како и од другите членови вклучени во соработката.^[17] Во 2006 година прочистена проценка од истите автори тврдела дека полураспадот бил 2,3×10²⁵ години.^[18] Почувствителни експерименти се очекува да помогнат да се разреши спорот.^[1]^[19]

Моментални резултати

Од 2014 година, GERDA постигнала малку пониски пизадини, добивајќи полураспад од 2,1×10²⁵ години при изложеност од 21,6 кг*yr.^[20] Податоците од IGEX и HDM ја зголемуваат границата на 3×10²⁵ yr и го отфрлаат забележувањети си висока сигурност. Потрагите со ¹³⁶Xe, Камланд-Зен и EXO-200, добиле граница од 2,6×10²⁵ yr. користејќи ги најновите јадрени матрични елементи, резултатите од ¹³⁶Xe ги побиваат Хајделберг-Московските тврдења.

Поврзано

Наводи

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 Giuliani, A.; Poves, A. (2012). „Neutrinoless Double-Beta Decay“. Advances in High Energy Physics. 2012: 1. doi:10.1155/2012/857016.
↑ Majorana, Ettore (2008-09-21). „Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone“. Il Nuovo Cimento (италијански). 14 (4): 171–184. doi:10.1007/BF02961314. ISSN 1827-6121.
↑ Furry, W. H. (1939). „On Transition Probabilities in Double Beta-Disintegration“. Physical Review. 56 (12): 1184–1193. doi:10.1103/PhysRev.56.1184.
↑ ^4,0 ^4,1 ^4,2 Barabash, A. S. (2011). „Experiment double beta decay: Historical review of 75 years of research“. Physics of Atomic Nuclei. 74 (4): 603–613. arXiv:1104.2714. Bibcode:2011PAN....74..603B. doi:10.1134/S1063778811030070.
↑ Fireman, E. (1948). „Double Beta Decay“. Physical Review. 74 (9): 1238. doi:10.1103/PhysRev.74.1201.
↑ Inghram, Mark G.; Reynolds, John H. (1950). „Double Beta-Decay of Te¹³⁰“. Physical Review. 78 (6): 822–823. doi:10.1103/PhysRev.78.822.2.
↑ Elliott, S. R.; Hahn, A. A.; Moe; M. K. (1987). „Direct evidence for two-neutrino double-beta decay in ⁸²Se“. Physical Review Letters. 59 (18): 2020–2023. doi:10.1103/PhysRevLett.59.2020.
↑ ^8,0 ^8,1 ^8,2 Beringer, J.; и др. (Particle Data Group) (2012). „Review of Particle Physics“. Physical Review D. 86: 010001. Bibcode:2012PhRvD..86a0001B. doi:10.1103/PhysRevD.86.010001.CS1-одржување: display-автори (link)
↑ Agostini, M.; и др. (GERDA Collaboration) (2013). „Measurement of the half-life of the two-neutrino double beta decay of76Ge with the GERDA experiment“. Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. 40 (3): 035110. Bibcode:2013JPhG...40c5110T. doi:10.1088/0954-3899/40/3/035110.
↑ K. Grotz and H.V. Klapdor, „The Weak Interaction in Nuclear, Particle and Astrophysics“, Adam Hilger, Bristol, 1990, 461 ps.
↑ H.V. Klapdor, A. Staudt „Non-accelerator Particle Physics“, 2.edition, Institute of Physics Publishing, Bristol, Philadelphia, 1998, 535 ps.
↑ Schechter, J.; J. W. F. Valle (1982-06-01). "Neutrinoless Double beta Decay in SU(2) ⊗ U(1) theories". Physical Review D 25 : 2951. Bibcode:1982PhRvD..25.2951S.doi:10.1103/PhysRevD.25.2951
↑ N. D. Khanbekov (September 2013). „AMoRE: Collaboration for searches for the neutrinoless double-beta decay of the isotope of 100Mo with the aid of 40Ca100MoO4 as a cryogenic scintillation detector“. Physics of Atomic Nuclei, Volume 76, Issue 9. 76 (9): 1086. Bibcode:2013PAN....76.1086K. doi:10.1134/S1063778813090093.
↑ Klapdor-Kleingrothaus, H. V.; Dietz, A.; Harney, H. L.; Krivosheina, I. V. (2001). „Evidence for Neutrinoless Double Beta Decay“. Modern Physics Letters A. 16 (37): 2409. arXiv:hep-ph/0201231. Bibcode:2001MPLA...16.2409K. doi:10.1142/S0217732301005825.
↑ Aalseth, C. E.; Avignone, F. T.; Barabash, A.; Boehm, F.; Brodzinski, R. L.; Collar, J. I.; Doe, P. J.; Ejiri, H.; Elliott, S. R.; Fiorini, E.; Gaitskell, R. J.; Gratta, G.; Hazama, R.; Kazkaz, K.; King, G. S.; Kouzes, R. T.; Miley, H. S.; Moe, M. K.; Morales, A.; Morales, J.; Piepke, A.; Robertson, R. G. H.; Tornow, W.; Vogel, P.; Warner, R. A.; Wilkerson, J. F. (2002). „Comment on "evidence for Neutrinoless Double Beta Decay"“. Modern Physics Letters A. 17 (22): 1475. arXiv:hep-ex/0202018. Bibcode:2002MPLA...17.1475A. doi:10.1142/S0217732302007715.
↑ Zdesenko, Y. G.; Danevich, F. A.; Tretyak, V. I. (2002). „Has neutrinoless double β decay of 76Ge been really observed?“. Physics Letters B. 546 (3–4): 206. Bibcode:2002PhLB..546..206Z. doi:10.1016/S0370-2693(02)02705-3.
↑ Bakalyarov, A. M.; Balysh, A. Y.; Belyaev, S. T.; Lebedev, V. I.; Zhukov, S. V. (2003). „Results of the experiment on investigation of Germanium-76 double beta decay“. Proceedings of the NANP, Dubna, Russia.
↑ Klapdor-Kleingrothaus, H. V.; Krivosheina, I. V. (2006). „The Evidence for the Observation of 0νββ Decay: The Identification of 0νββ Events from the Full Spectra“. Modern Physics Letters A. 21 (20): 1547. Bibcode:2006MPLA...21.1547K. doi:10.1142/S0217732306020937.
↑ Schwingenheuer, B. (2013). „Status and prospects of searches for neutrinoless double beta decay“. Annalen der Physik. 525 (4): 269. arXiv:1210.7432. Bibcode:2013AnP...525..269S. doi:10.1002/andp.201200222.
↑ Agostini, M.; и др. (GERDA Collaboration) (2013). „Results on Neutrinoless Double-β Decay of ^{76}Ge from Phase I of the GERDA Experiment“. Physical Review Letters. 111 (12): 122503. arXiv:1307.4720. Bibcode:2013PhRvL.111l2503A. doi:10.1103/PhysRevLett.111.122503. PMID 24093254.