В ядерной физике двойной бета-распад — это тип радиоактивного распада , при котором два нейтрона одновременно превращаются в два протона или наоборот внутри атомного ядра . Как и при одиночном бета-распаде , этот процесс позволяет атому приблизиться к оптимальному соотношению протонов и нейтронов. В результате этого преобразования ядро испускает две обнаруживаемые бета-частицы , которые являются электронами или позитронами .
В литературе различают два типа двойного бета-распада: обычный двойной бета-распад и безнейтринный двойной бета-распад. При обычном двойном бета-распаде, который наблюдался у нескольких изотопов, из распадающегося ядра испускаются два электрона и два электронных антинейтрино . При безнейтринном двойном бета-распаде (предполагаемом процессе, который никогда не наблюдался) будут испускаться только электроны.
Идея двойного бета-распада была впервые предложена Марией Гепперт Майер в 1935 году. [1] [2] В 1937 году Этторе Майорана продемонстрировал, что все результаты теории бета-распада остаются неизменными, если нейтрино было собственной античастицей, теперь известной как Майорана . частица . [3] В 1939 году Уэнделл Х. Ферри предположил, что если нейтрино являются майорановскими частицами, то двойной бета-распад может происходить без испускания каких-либо нейтрино посредством процесса, который теперь называется безнейтринным двойным бета-распадом . [4] Пока неизвестно, является ли нейтрино майорановской частицей и, соответственно, существует ли в природе безнейтринный двойной бета-распад. [5]
Поскольку нарушение четности в слабых взаимодействиях не было обнаружено до 1956 года, более ранние расчеты показали, что безнейтринный двойной бета-распад должен происходить с гораздо большей вероятностью, чем обычный двойной бета-распад, если бы нейтрино были майорановскими частицами. Прогнозируемые периоды полураспада были порядка 10.15 ~ 1016 лет. [5] Попытки наблюдать этот процесс в лаборатории датируются как минимум 1948 годом, когда Э. Л. Файерман предпринял первую попытку непосредственно измерить период полураспада124
Сн
изотоп со счетчиком Гейгера . [6]
Радиометрические эксперименты, проводившиеся примерно в 1960 году, дали отрицательные или ложноположительные результаты, не подтвержденные более поздними экспериментами. В 1950 году впервые был определен двойной период полураспада бета-распада.130
Те
было измерено геохимическими методами и составило 1,4×1021 год [7]
достаточно близко к современному значению. Это включало определение концентрации в минералах ксенона, образующегося в результате распада.
В 1956 году, после того как была установлена природа слабых взаимодействий V − A , стало ясно, что период полураспада безнейтринного двойного бета-распада будет значительно превышать период полураспада обычного двойного бета-распада. Несмотря на значительный прогресс в экспериментальной технике в 1960–1970-х годах, двойной бета-распад не наблюдался в лаборатории до 1980-х годов. Эксперименты смогли установить лишь нижнюю границу периода полураспада – около 1021 год. В то же время геохимические эксперименты обнаружили двойной бета-распад82Сеи128
Те
. [5]
Двойной бета-распад был впервые обнаружен в лаборатории в 1987 году группой Майкла Мо из Калифорнийского университета в Ирвайне .82Се. [8]
С тех пор во многих экспериментах наблюдался обычный двойной бета-распад в других изотопах. Ни один из этих экспериментов не дал положительных результатов для безнейтринного процесса, в результате чего нижняя граница периода полураспада была поднята примерно до 10.25 лет. Геохимические эксперименты продолжались в течение 1990-х годов, дав положительные результаты для нескольких изотопов. [5] Двойной бета-распад — самый редкий из известных видов радиоактивного распада; по состоянию на 2019 год он наблюдался только у 14 изотопов (включая двойной захват электрона в130
Ба
наблюдалось в 2001 году,78Крнаблюдалось в 2013 году, и124
Ксе
наблюдалось в 2019 году), и все они имеют среднюю продолжительность жизни более 1018 лет (таблица ниже). [5]
При типичном двойном бета-распаде два нейтрона в ядре превращаются в протоны, испускаются два электрона и два электронных антинейтрино . Этот процесс можно представить как два одновременных бета-распада . Чтобы (двойной) бета-распад был возможен, конечное ядро должно иметь большую энергию связи , чем исходное ядро. Для некоторых ядер, таких как германий-76 , изобара на один атомный номер выше ( мышьяк-76 ) имеет меньшую энергию связи, что предотвращает одиночный бета-распад. Однако изобара с атомным номером на два выше, селен-76 , имеет большую энергию связи, поэтому возможен двойной бета-распад.
Спектр излучения двух электронов можно рассчитать аналогично спектру бета-излучения, используя золотое правило Ферми . Дифференциальная ставка определяется выражением
где индексы относятся к каждому электрону, T — кинетическая энергия, w — полная энергия, F ( Z , T ) — функция Ферми , где Z — заряд ядра в конечном состоянии, p — импульс, v — скорость в единицах c. , — угол между электронами, а Q — значение Q распада.
Для некоторых ядер этот процесс происходит как превращение двух протонов в нейтроны с испусканием двух электронных нейтрино и поглощением двух орбитальных электронов (двойной электронный захват). Если разница масс между материнским и дочерним атомами превышает 1,022 МэВ/ с 2 (массы двух электронов), то возможен другой распад — захват одного орбитального электрона и испускание одного позитрона . При разнице масс более 2,044 МэВ/ c 2 (массы четырех электронов) возможна эмиссия двух позитронов. Эти теоретические ветви распада не наблюдались.
В природе существует 35 изотопов, способных к двойному бета-распаду. [9] На практике распад можно наблюдать, когда одиночный бета-распад запрещен законом сохранения энергии. Это происходит для элементов с четным атомным номером и четным числом нейтронов , которые более стабильны из-за спин -связи. Когда также происходит одиночный бета-распад или альфа-распад, скорость двойного бета-распада обычно слишком мала, чтобы ее можно было наблюдать. Однако двойной бета-распад238
ты
(также альфа-излучатель) был измерен радиохимически. Два других нуклида, в которых наблюдался двойной бета-распад,48
Калифорния
и96Зр, теоретически может также существовать одиночный бета-распад, но этот распад крайне подавлен и никогда не наблюдался. Аналогичное подавление энергетически едва возможного одиночного бета-распада происходит для 148 Gd и 222 Rn, но оба эти нуклида являются довольно короткоживущими альфа-излучателями.
Экспериментально наблюдалось четырнадцать изотопов, подвергающихся двойному бета-распаду с двумя нейтрино (β – β – ) или двойному захвату электронов (εε). [10] В таблице ниже приведены нуклиды с последними экспериментально измеренными периодами полураспада по состоянию на декабрь 2016 года, за исключением 124 Xe (для которого двойной захват электрона впервые наблюдался в 2019 году). Если указаны две неопределенности, первая является статистической неопределенностью, а вторая – систематической.
Поиски двойного бета-распада в изотопах, которые представляют собой значительно более серьезные экспериментальные проблемы, продолжаются. Одним из таких изотопов является 134
Ксе
. [16]
Следующие известные бета-стабильные (или почти бета-стабильные в случаях 48 Ca, 96 Zr и 222 Rn) [17] нуклиды с A ≤ 260 теоретически способны к двойному бета-распаду, где красные — изотопы, обладающие двойным бета-распадом. скорость бета измерена экспериментально, а чернота еще предстоит измерить экспериментально: 46 Ca, 48 Ca , 70 Zn, 76 Ge , 80 Se, 82 Se , 86 Kr, 94 Zr, 96 Zr , 98 Mo, 100 Mo , 104 Ru, 110 Pd, 114 Cd, 116 Cd , 122 Sn, 124 Sn, 128 Te , 130 Te , 134 Xe, 136 Xe , 142 Ce , 146 Nd, 148 Nd , 150 Nd , 154 Sm, 160 Gd, 170 Er, 176 Yb, 186 W, 192 Os, 198 Pt, 204 Hg, 216 Po, 220 Rn, 222 Rn, 226 Ra, 232 Th, 238 U , 244 Pu, 248 Cm, 254 Cf, 256 Cf и 260 Fm. [9]
Следующие известные бета-стабильные (или почти бета-стабильные в случае 148 Gd) нуклиды с A ≤ 260 теоретически способны к двойному захвату электронов, где красные - это изотопы, для которых измерена скорость двойного захвата электронов, а черные еще не изучены. измерено экспериментально: 36 Ar, 40 Ca, 50 Cr, 54 Fe, 58 Ni, 64 Zn, 74 Se, 78 Kr , 84 Sr, 92 Mo, 96 Ru, 102 Pd, 106 Cd, 108 Cd, 112 Sn, 120 Te. , 124 Xe , 126 Xe, 130 Ba , 132 Ba, 136 Ce, 138 Ce, 144 Sm, 148 Gd, 150 Gd, 152 Gd , 154 Dy , 156 Dy, 158 Dy, 162 Er , 164 Er, 168 Yb, 174 Hf, 180 W, 184 Os, 190 Pt, 196 Hg, 212 Rn, 214 Rn, 218 Ra, 224 Th, 230 U, 236 Pu, 242 Cm, 252 Fm и 258 No. [9]
В частности, 36 Ar — самый легкий наблюдаемо стабильный нуклид, распад которого энергетически возможен.
Если нейтрино является майорановской частицей (т.е. антинейтрино и нейтрино на самом деле являются одной и той же частицей) и хотя бы один тип нейтрино имеет ненулевую массу (что установлено экспериментами по осцилляциям нейтрино ), то возможно чтобы произошел безнейтринный двойной бета-распад. Безнейтринный двойной бета-распад - это процесс , нарушающий лептонное число . В простейшем теоретическом подходе, известном как обмен легкими нейтрино, нуклон поглощает нейтрино, испускаемое другим нуклоном. Обмененные нейтрино являются виртуальными частицами .
Если в конечном состоянии находятся только два электрона, общая кинетическая энергия электронов будет примерно равна разнице энергий связи начального и конечного ядер, а остальное будет составлять ядерная отдача. Из-за сохранения импульса электроны обычно испускаются друг за другом. Скорость затухания этого процесса определяется выражением
где m i — массы нейтрино , а U ei — элементы матрицы Понтекорво–Маки–Накагавы–Сакаты (ПМНС) . Поэтому наблюдение безнейтринного двойного бета-распада, помимо подтверждения майорановской природы нейтрино, может дать информацию об абсолютной шкале масс нейтрино и майорановских фазах в матрице ПМНС, подлежащих интерпретации через теоретические модели ядра, определяющие элементы ядерной матрицы. и модели распада. [18] [19]
Наблюдение безнейтринного двойного бета-распада потребовало бы, чтобы хотя бы одно нейтрино было майорановской частицей , независимо от того, вызван ли этот процесс обменом нейтрино. [20]
Многочисленные эксперименты занимались поиском безнейтринного двойного бета-распада. Наиболее эффективные эксперименты имеют большую массу распадающегося изотопа и низкий фон, а в некоторых экспериментах можно проводить распознавание частиц и отслеживание электронов. Большинство экспериментов по удалению фона космических лучей проводится в подземных лабораториях по всему миру.
Недавние и предложенные эксперименты включают:
Хотя некоторые эксперименты утверждали об открытии безнейтринного двойного бета-распада, современные исследования не нашли никаких доказательств этого распада.
Некоторые члены коллаборации Гейдельберг-Москва заявили об обнаружении безнейтринного бета-распада ядра 76 Ge в 2001 году. [26] Это утверждение подверглось критике со стороны сторонних физиков [1] [27] [28] [29] , а также других членов сотрудничество. [30] В 2006 году уточненная оценка тех же авторов показала, что период полураспада составлял 2,3 × 1025 лет. [31] Этот период полураспада был исключен с высокой степенью достоверности в других экспериментах, в том числе в 76 Ge, проведенном GERDA . [32]
По состоянию на 2017 год самые строгие ограничения на безнейтринный двойной бета-распад были установлены у GERDA в 76 Ge, CUORE в 130 Te, а также EXO-200 и KamLAND-Zen в 136 Xe.
Для массовых чисел с более чем двумя бета-стабильными изобарами четверной бета-распад и его обратный четырехкратный захват электрона были предложены в качестве альтернативы двойному бета-распаду в изобарах с наибольшим избытком энергии. Эти распады энергетически возможны в восьми ядрах, хотя частичные периоды полураспада по сравнению с одинарным или двойным бета-распадом, по прогнозам, будут очень длительными; следовательно, учетверенный бета-распад вряд ли будет наблюдаться. Семь ядер-кандидатов на четверной бета-распад включают 96 Zr, 136 Xe и 150 Nd, способные к четверному бета-минус-распаду, и 124 Xe, 130 Ba, 148 Gd и 154 Dy, способные к четверному бета-плюс-распаду или захвату электронов. хотя 148 Gd и 154 Dy являются непервичными альфа-излучателями с геологически коротким периодом полураспада). Теоретически четверной бета-распад может экспериментально наблюдаться в трех из этих ядер – 96 Zr, 136 Xe и 150 Nd – причем наиболее многообещающим кандидатом является 150 Nd. Тройной бета-распад возможен также для 48 Ca, 96 Zr и 150 Nd. [33]
Более того, такой режим распада также может быть безнейтринным в физике за пределами стандартной модели. [34] Безнейтринный четверной бета-распад приведет к нарушению лептонного числа на 4 единицы, в отличие от нарушения лептонного числа на две единицы в случае безнейтринного двойного бета-распада. Следовательно, не существует «теоремы о черном ящике», и нейтрино могут быть частицами Дирака, допуская при этом процессы такого типа. В частности, если безнейтринный четверной бета-распад будет обнаружен до безнейтринного двойного бета-распада, то можно ожидать, что нейтрино будут частицами Дирака. [35]
Поиски тройного и четверного бета-распада 150 Nd пока остаются безуспешными. [33]