Desintegración beta doble - Double beta decay

En física nuclear , la desintegración beta doble es un tipo de desintegración radiactiva en la que dos neutrones se transforman simultáneamente en dos protones , o viceversa, dentro de un núcleo atómico . Al igual que en la desintegración beta simple , este proceso permite que el átomo se acerque a la proporción óptima de protones y neutrones. Como resultado de esta transformación, el núcleo emite dos partículas beta detectables , que son electrones o positrones .

La literatura distingue entre dos tipos de desintegración beta doble: desintegración beta doble ordinaria y desintegración beta doble sin neutrinos . En la desintegración beta doble ordinaria, que se ha observado en varios isótopos, se emiten dos electrones y dos electrones antineutrinos del núcleo en descomposición. En la desintegración beta doble sin neutrinos, un proceso hipotético que nunca se ha observado, solo se emitirían electrones.

Historia

La idea de la desintegración beta doble fue propuesta por primera vez por Maria Goeppert-Mayer en 1935. En 1937, Ettore Majorana demostró que todos los resultados de la teoría de la desintegración beta permanecen sin cambios si el neutrino fuera su propia antipartícula, ahora conocida como partícula de Majorana . En 1939, Wendell H. Furry propuso que si los neutrinos son partículas de Majorana, entonces la desintegración beta doble puede proceder sin la emisión de neutrinos, a través del proceso ahora llamado desintegración beta doble sin neutrinos. Aún no se sabe si el neutrino es una partícula de Majorana y, de manera relacionada, si existe desintegración beta doble sin neutrinos en la naturaleza.

En la década de 1930-40, no se conocía la violación de la paridad en interacciones débiles y, en consecuencia, los cálculos mostraban que la desintegración doble beta sin neutrinos debería ser mucho más probable que ocurriera que la desintegración doble beta ordinaria, si los neutrinos fueran partículas de Majorana. Las vidas medias previstas fueron del orden de 10 ^15-16 años. Los esfuerzos para observar el proceso en el laboratorio se remontan al menos a 1948 cuando Edward L. Fireman hizo el primer intento de medir directamente la vida media del¹²⁴
Sn
isótopo con un contador Geiger . Los experimentos radiométricos durante aproximadamente 1960 produjeron resultados negativos o falsos positivos, no confirmados por experimentos posteriores. En 1950, por primera vez la vida media de desintegración beta doble de¹³⁰
Te
se midió mediante métodos geoquímicos en 1,4 × 10 ²¹ años, razonablemente cerca del valor moderno. Esto implicó detectar la concentración en minerales del xenón producido por la desintegración.

En 1956, después de que se estableció la naturaleza VA de las interacciones débiles , quedó claro que la vida media de la desintegración doble beta sin neutrinos excedería significativamente la de la desintegración doble beta ordinaria. A pesar de los avances significativos en las técnicas experimentales en la década de 1960-70, no se observó en un laboratorio la desintegración beta doble hasta la década de 1980. Los experimentos solo habían podido establecer el límite inferior para la vida media, alrededor de 10 ²¹ años. Al mismo tiempo, los experimentos geoquímicos detectaron la desintegración doble beta de⁸²
Se
y ¹²⁸
Te
.

La desintegración beta doble se observó por primera vez en un laboratorio en 1987 por el grupo de Michael Moe en UC Irvine en⁸²
Se
. Desde entonces, muchos experimentos han observado desintegración beta doble ordinaria en otros isótopos. Ninguno de esos experimentos ha producido resultados positivos para el proceso sin neutrinos, elevando el límite inferior de la vida media a aproximadamente 10 ²⁵ años. Los experimentos geoquímicos continuaron durante la década de 1990, produciendo resultados positivos para varios isótopos. La desintegración beta doble es el tipo de desintegración radiactiva más raro que se conoce; a partir de 2019 se ha observado en solo 14 isótopos (incluida la captura de electrones dobles en¹³⁰
Licenciado en Letras
observado en 2001, ⁷⁸
Kr
observado en 2013, y ¹²⁴
Xe
observado en 2019), y todos tienen una vida media de más de 10 a ¹⁸ años (tabla siguiente).

Decaimiento doble beta ordinario

En una desintegración beta doble típica, dos neutrones en el núcleo se convierten en protones y se emiten dos electrones y dos antineutrinos electrónicos . El proceso se puede pensar como dos desintegraciones beta menos simultáneas . Para que sea posible la desintegración (doble) beta, el núcleo final debe tener una energía de enlace mayor que el núcleo original. Para algunos núcleos, como el germanio-76 , el isobar un número atómico más alto ( arsénico-76 ) tiene una energía de enlace menor, lo que evita la desintegración beta única. Sin embargo, la isobara con número atómico dos más alto, selenio-76 , tiene una energía de enlace mayor, por lo que se permite la desintegración beta doble.

El espectro de emisión de los dos electrones se puede calcular de forma similar al espectro de emisión beta utilizando la regla de oro de Fermi . La tasa diferencial está dada por

{\ Displaystyle {\ frac {dN (T_ {1}, T_ {2}, \ cos \ theta)} {dT_ {1} dT_ {2} d \ cos \ theta}} = F (Z, T_ {1} ) F (Z, T_ {2}) w_ {1} p_ {1} w_ {2} p_ {2} (Q-T_ {1} -T_ {2}) ^ {5} (1-v_ {1} v_ {2} \ cos \ theta)}

donde los subíndices se refieren a cada electrón, $T$ es la energía cinética, $w$ es la energía total, $F (Z, T)$ es la función de Fermi con Z la carga del núcleo en estado final, $p$ es el momento, $v$ es la velocidad en unidades de $c$ , $cosθ$ es el ángulo entre los electrones y $Q$ es el valor Q de la desintegración.

Para algunos núcleos, el proceso ocurre como la conversión de dos protones en neutrones, emitiendo dos neutrinos electrónicos y absorbiendo dos electrones orbitales (captura de doble electrón). Si la diferencia de masa entre los átomos padre e hijo es más de 1.022 MeV / c ² (dos masas de electrones), se puede acceder a otra desintegración, captura de un electrón orbital y emisión de un positrón . Cuando la diferencia de masa es superior a 2,044 MeV / c ² (cuatro masas de electrones), es posible la emisión de dos positrones. Estas ramas de desintegración teóricas no se han observado.

Isótopos de desintegración beta doble conocidos

Hay 35 isótopos naturales capaces de desintegración beta doble. En la práctica, la desintegración se puede observar cuando la desintegración beta única está prohibida por la conservación de energía. Esto sucede para elementos con un número atómico par e incluso un número de neutrones , que son más estables debido al acoplamiento de espines . Cuando también se produce la desintegración beta simple o la desintegración alfa, la tasa de desintegración beta doble es generalmente demasiado baja para observarla. Sin embargo, la doble desintegración beta de²³⁸
U
(también un emisor alfa) se ha medido radioquímicamente. Otros dos nucleidos en los que se ha observado doble desintegración beta,⁴⁸
California
y ⁹⁶
Zr
, también puede teóricamente una desintegración beta única, pero esta desintegración está extremadamente suprimida y nunca se ha observado.

Se han observado experimentalmente catorce isótopos que experimentan desintegración beta doble de dos neutrinos (β ^- β ^- ) o captura de electrones dobles (εε). La siguiente tabla contiene núclidos con las últimas semividas medidas experimentalmente, a diciembre de 2016, a excepción de ¹²⁴ Xe (para el cual se observó por primera vez la captura de electrones dobles en 2019). Cuando se especifican dos incertidumbres, la primera es la incertidumbre estadística y la segunda es sistemática.

Nucleido	Vida media, 10 ²¹ años	Modo	Transición	Método	Experimentar
⁴⁸ California	0,064^+0,007 _−0,006 ± ^+0.012 _−0.009	β ^- β ^-		directo	NEMO-3
⁷⁶ Ge	1,926 ± 0,094	β ^- β ^-		directo	GERDA
⁷⁸ Kr	9.2 ^+5,5 _−2,6 ± 1,3	εε		directo	BAKSAN
⁸² Se	0,096 ± 0,003 ± 0,010	β ^- β ^-		directo	NEMO-3
⁹⁶ Zr	0,0235 ± 0,0014 ± 0,0016	β ^- β ^-		directo	NEMO-3
¹⁰⁰ Mes	0,00693 ± 0,00004	β ^- β ^-		directo	NEMO-3
¹⁰⁰ Mes	0,69^+0,10 _−0,08 ± 0,07	β ^- β ^-	0 ⁺ → 0 ⁺₁	directo	Ge coincidencia
¹¹⁶ CD	0,028 ± 0,001 ± 0,003 0,026^+0,009 _−0,005	β ^- β ^-		directo	NEMO-3 ELEGANT IV
¹²⁸ Te	7200 ± 400 1800 ± 700	β ^- β ^-		geoquímico
¹³⁰ Te	0,82 ± 0,02 ± 0,06	β ^- β ^-		directo	CUORE-0
¹²⁴ Xe	18 ± 5 ± 1	εε		directo	XENON1T
¹³⁶ Xe	2,165 ± 0,016 ± 0,059	β ^- β ^-		directo	EXO-200
¹³⁰ Licenciado en Letras	(0,5 - 2,7)	εε		geoquímico
¹⁵⁰ Dakota del Norte	0,00911^+0.00025 _−0.00022 ± 0.00063	β ^- β ^-		directo	NEMO-3
¹⁵⁰ Dakota del Norte	0.107^+0.046 _−0.026	β ^- β ^-	0 ⁺ → 0 ⁺₁	directo	Ge coincidencia
²³⁸ U	2,0 ± 0,6	β ^- β ^-		radioquímico

Se están realizando búsquedas de desintegración beta doble en isótopos que presentan desafíos experimentales significativamente mayores. Uno de esos isótopos es ¹³⁴
Xe
, que se espera que se descomponga además de¹³⁶
Xe
.

Los siguientes nucleidos conocidos con A ≤ 260 son teóricamente capaces de desintegración beta doble, donde el rojo son isótopos que tienen una tasa de beta doble medida experimentalmente y el negro aún no se ha medido experimentalmente: 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 y ²⁶⁰ Fm.

Los siguientes nucleidos conocidos con A ≤ 260 son teóricamente capaces de capturar dos electrones, donde los rojos son isótopos que tienen una tasa de captura de electrones dobles medida y el negro aún no se ha medido experimentalmente: 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 y ²⁵⁸ No.

Desintegración beta doble sin neutrinos

Diagrama de Feynman de desintegración beta doble sin neutrinos, con dos neutrones que se desintegran en dos protones. Los únicos productos emitidos en este proceso son dos electrones, que pueden ocurrir si el neutrino y el antineutrino son la misma partícula (es decir, los neutrinos de Majorana), por lo que el mismo neutrino puede ser emitido y absorbido dentro del núcleo. En la desintegración beta doble convencional, dos antineutrinos, uno que surge de cada vértice W, se emiten desde el núcleo, además de los dos electrones. La detección de desintegración beta doble sin neutrinos es, por tanto, una prueba sensible de si los neutrinos son partículas de Majorana.

Si el neutrino es una partícula de Majorana (es decir, el antineutrino y el neutrino son en realidad la misma partícula), y al menos un tipo de neutrino tiene una masa distinta de cero (que ha sido establecida por los experimentos de oscilación de neutrinos ), entonces es posible para que ocurra la desintegración beta doble sin neutrinos. La desintegración beta doble sin neutrinos es un proceso de violación del número de leptones . En el tratamiento teórico más simple, conocido como intercambio de neutrinos ligeros, un nucleón absorbe el neutrino emitido por otro nucleón. Los neutrinos intercambiados son partículas virtuales .

Con solo dos electrones en el estado final, la energía cinética total de los electrones sería aproximadamente la diferencia de energía de enlace de los núcleos inicial y final, y el retroceso nuclear representaría el resto. Debido a la conservación del impulso , los electrones generalmente se emiten uno tras otro. La tasa de desintegración de este proceso viene dada por

{\ Displaystyle \ Gamma = G | M | ^ {2} | m _ {\ beta \ beta} | ^ {2},}

donde G es el factor de espacio de fase de dos cuerpos, M es el elemento de la matriz nuclear y m _ββ es la masa Majorana efectiva del neutrino electrónico. En el contexto del intercambio de neutrinos ligeros de Majorana, m _ββ está dado por

{\ Displaystyle m _ {\ beta \ beta} = \ sum _ {i = 1} ^ {3} m_ {i} U_ {ei} ^ {2},}

donde m _i son las masas de neutrinos y U _ei son elementos de la matriz Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) . Por lo tanto, la observación de la desintegración beta doble sin neutrinos, además de confirmar la naturaleza del neutrino de Majorana, puede dar información sobre la escala absoluta de masa de neutrinos y las fases de Majorana en la matriz de PMNS, sujeta a interpretación a través de modelos teóricos del núcleo, que determinan los elementos de la matriz nuclear. y modelos de decadencia.

La observación de la desintegración beta doble sin neutrinos requeriría que al menos un neutrino sea una partícula de Majorana , independientemente de si el proceso es engendrado por intercambio de neutrinos.

Experimentos

Numerosos experimentos han buscado la desintegración beta doble sin neutrinos. Los experimentos de mejor rendimiento tienen una gran masa del isótopo en descomposición y fondos bajos, con algunos experimentos capaces de realizar discriminación de partículas y seguimiento de electrones. Para eliminar el fondo de los rayos cósmicos, la mayoría de los experimentos se encuentran en laboratorios subterráneos de todo el mundo.

Los experimentos recientes y propuestos incluyen:

Experimentos completados:
- San Gotardo TPC
- Heidelberg-Moscú, ⁷⁶ detectores de Ge (1997-2001)
- IGEX, ⁷⁶ detectores de Ge (1999-2002)
- NEMO , varios isótopos que utilizan calorímetros de seguimiento (2003-2011)
- Cuoricino , ¹³⁰ Te en cristales ultrafríos de TeO ₂ (2003-2008)
Experimentos que toman datos a noviembre de 2017:
- COBRA , ¹¹⁶ Cd en cristales de CdZnTe a temperatura ambiente
- CUORE , ¹³⁰ Te en cristales ultrafríos de TeO ₂
- EXO , una búsqueda de ¹³⁶ Xe y ¹³⁴ Xe
- GERDA , un detector de ⁷⁶ Ge
- KamLAND-Zen , una búsqueda ¹³⁶ Xe. Recolección de datos de 2011.
- Majorana , utilizandodetectores puntuales de contacto tipo p de⁷⁶ Ge dealta pureza.
- XMASS usando Xe líquido
Experimentos propuestos / futuros:
- CUPID, desintegración doble beta sin neutrinos de ¹⁰⁰ Mo
- VELAS, ⁴⁸ Ca en CaF _2, en el Observatorio Kamioka
- MOON, desarrollando detectores de ¹⁰⁰ Mo
- AMoRE, cristales de CaMoO ₄ enriquecidos con ¹⁰⁰ Mo en el laboratorio subterráneo de YangYang
- nEXO, usando líquido ¹³⁶ Xe en una cámara de proyección de tiempo
- LEYENDA, Desintegración doble beta sin neutrinos de ⁷⁶ Ge.
- LUMINEU, explorando cristales de ZnMoO ₄ enriquecidos con ¹⁰⁰ Mo en LSM, Francia.
- SIGUIENTE, un Xenon TPC. NEXT-DEMO se ejecutó y NEXT-100 se ejecutará en 2016.
- SNO + , un centelleador líquido, estudiará ¹³⁰ Te
- SuperNEMO , una actualización de NEMO, estudiará ⁸² Se
- TIN.TIN, un detector de ¹²⁴ Sn en INO
- PandaX -III, un experimento con 200 kg a 1000 kg de ¹³⁶ Xe enriquecido al 90%

Estado

Si bien algunos experimentos han afirmado el descubrimiento de la desintegración beta doble sin neutrinos, las búsquedas modernas no han encontrado evidencia de la desintegración.

Controversia Heidelberg-Moscú

Algunos miembros de la colaboración Heidelberg-Moscú afirmaron haber detectado desintegración beta sin neutrinos en ⁷⁶ Ge en 2001. Esta afirmación fue criticada por físicos externos, así como por otros miembros de la colaboración. En 2006, una estimación refinada de los mismos autores indicó que la vida media fue de 2,3 × 10 ²⁵ años. Esta vida media ha sido excluida con alta confianza por otros experimentos, incluso en ⁷⁶ Ge por GERDA.

Resultados actuales

A partir de 2017, los límites más fuertes en la desintegración beta doble sin neutrinos provienen de GERDA en ⁷⁶ Ge, CUORE en ¹³⁰ Te y EXO-200 y KamLAND-Zen en ¹³⁶ Xe.

Decaimiento beta simultáneo de orden superior

Para números de masa con más de dos isobaras beta estables, la desintegración beta cuádruple y su captura de electrones cuádruple inversa, se han propuesto como alternativas a la desintegración beta doble en las isobaras con el mayor exceso de energía. Estas desintegraciones son energéticamente posibles en ocho núcleos, aunque se predice que las semividas parciales en comparación con la desintegración beta simple o doble serán muy largas; por lo tanto, es poco probable que se observe una desintegración beta cuádruple. Los ocho núcleos candidatos para la desintegración beta cuádruple incluyen ⁹⁶ Zr, ¹³⁶ Xe y ¹⁵⁰ Nd capaces de desintegración beta menos cuádruple, y ¹²⁴ Xe, ¹³⁰ Ba, ¹⁴⁸ Gd y ¹⁵⁴ Dy capaces de desintegración beta cuádruple más o captura de electrones. En teoría, la desintegración beta cuádruple puede observarse experimentalmente en tres de estos núcleos, siendo el candidato más prometedor ¹⁵⁰ Nd. La desintegración triple beta también es posible para ⁴⁸ Ca, ⁹⁶ Zr y ¹⁵⁰ Nd.

Además, este modo de desintegración también podría carecer de neutrinos en física más allá del modelo estándar. La desintegración beta cuádruple sin neutrinos violaría el número de leptones en 4 unidades, a diferencia de una desintegración del número de leptones de dos unidades en el caso de la desintegración beta doble sin neutrinos. Por lo tanto, no existe un 'teorema de la caja negra' y los neutrinos podrían ser partículas de Dirac al tiempo que permiten este tipo de procesos. En particular, si la desintegración beta cuádruple sin neutrinos se encuentra antes de la desintegración beta doble sin neutrinos, la expectativa es que los neutrinos serán partículas de Dirac.

Hasta ahora, las búsquedas de desintegración beta triple y cuádruple en ¹⁵⁰ Nd no han tenido éxito.

Ver también

Referencias

enlaces externos

Decaimiento beta doble en arxiv.org

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