Trong vat ly hat nhan, phan ra beta kep la mot loai phan ra phong xa, trong đo hai neutron đong thoi bien thanh hai proton, hoac nguoc lai, ben trong hat nhan nguyen tu. Nhu trong phan ra beta đon, qua trinh nay giup ty le proton va neutron toi uu hon. Ket qua cua su bien đoi nay la hat nhan phat ra hai hat beta co the phat hien đuoc, đo la cac electron hoac positron.
Tai lieu phan biet giua hai loai phan ra beta kep: phan ra beta kep thong thuong va phan ra beta kep phi neutrino. Trong phan ra beta kep thong thuong, đa đuoc quan sat thay o mot so đong vi, hai electron va hai phan neutrino electron đuoc phat ra tu hat nhan đang phan ra. Trong phan ra beta kep phi neutrino, mot qua trinh gia đinh chua bao gio đuoc quan sat thay, se chi co cac electron đuoc phat ra.


Lich su Y tuong ve phan ra beta kep lan đau tien đuoc đe xuat boi Maria Goeppert-Mayer vao nam 1935. Nam 1937, Ettore Majorana chung minh rang tat ca cac ket qua cua ly thuyet phan ra beta khong thay đoi neu neutrino la phan hat cua chinh no, ngay nay đuoc goi la hat Majorana. Nam 1939, Wendell H. Furry đe xuat rang neu neutrino la hat Majorana, thi phan ra beta kep co the xay ra ma khong phat ra bat ky neutrino nao, thong qua qua trinh hien đuoc goi la phan ra beta kep phi neutrino. Nguoi ta van chua biet lieu neutrino co phai la hat Majorana hay khong, va lien quan đen viec lieu phan ra beta kep khong co neutrino co ton tai trong tu nhien hay khong.
Vao nhung nam 1930–1940, nguoi ta khong biet đen su vi pham tinh chan le (parity violation) trong tuong tac yeu, va do đo, cac tinh toan cho thay rang phan ra beta kep khong co neutrino se co nhieu kha nang xay ra hon nhieu so voi phan ra beta kep thong thuong, neu neutrino la hat Majorana. Thoi gian ban ra đuoc du đoan la vao khoang 1015~1016 nam. Nhung no luc đe quan sat qua trinh nay trong phong thi nghiem co tu it nhat la nam 1948 khi E.L. Fireman thuc hien no luc đau tien đe đo truc tiep chu ky ban ra cua đong vi 124Sn voi bo đem Geiger–Muller. Cac thi nghiem đo phong xa trong khoang nam 1960 cho ket qua am tinh (negative result) hoac la duong tinh gia (false positive result), khong đuoc xac nhan boi cac thi nghiem sau nay. Nam 1950, lan đau tien chu ky ban ra beta kep cua 130Te đuoc đo bang cac phuong phap đia hoa la 1.4×1021 nam, kha gan voi gia tri hien đai. Đieu nay lien quan đen viec phat hien nong đo khoang chat cua xenon đuoc tao ra boi su phan ra.
Nam 1956, sau khi ban chat V–A cua tuong tac yeu đuoc biet, ro rang la chu ky ban ra cua phan ra beta kep phi neutrino se vuot qua đang ke so voi phan ra beta kep thong thuong. Mac du co nhung tien bo đang ke trong cac ky thuat thi nghiem vao nhung nam 1960–1970, nhung mai đen nhung nam 1980 thi phan ra beta kep moi đuoc quan sat thay trong phong thi nghiem. Cac thi nghiem chi co the thiet lap gioi han duoi cho chu ky ban ra – khoang 1021 nam. Đong thoi, cac thi nghiem đia hoa (geochemical experiment) đa phat hien ra su phan ra beta kep cua 82Se va 128Te.
Phan ra beta kep đuoc quan sat lan đau tien trong phong thi nghiem vao nam 1987 boi nhom cua Michael Moe tai UC Irvine o 82Se. Ke tu đo, nhieu thi nghiem đa quan sat thay su phan ra beta kep thong thuong o cac đong vi khac. Khong co thi nghiem nao trong so đo mang lai ket qua kha quan cho qua trinh phan ra khong co neutrino, nang chu ky ban ra gioi han duoi len xap xi 1025 nam. Cac thi nghiem đia hoa tiep tuc trong suot nhung nam 1990, tao ra ket qua kha quan đoi voi mot so đong vi. Phan ra beta kep la loai phan ra phong xa hiem gap nhat đuoc biet đen; tinh đen nam 2021, no chi đuoc quan sat thay o 14 đong vi (bao gom ca su bat giu electron kep cua đong vi 130Ba đuoc quan sat vao nam 2001, 78Kr đuoc quan sat vao nam 2013 va 124Xe đuoc quan sat vao nam 2019), va tat ca đeu co lifetime trung binh tren 1018 nam (bang ben duoi).


Phan ra beta kep thong thuong Trong mot lan phan ra beta kep đien hinh, hai neutron trong hat nhan đuoc chuyen đoi thanh proton, va hai electron va hai phan neutrino electron đuoc phat ra. Qua trinh nay co the đuoc coi la hai lan phan ra beta tru đong thoi. Đe co the xay ra phan ra beta (kep), hat nhan cuoi cung phai co binding energy lon hon hat nhan ban đau. Đoi voi mot so hat nhan, chang han nhu germani-76, isobar cao hon mot so nguyen tu (arsenic-76) co binding energy nho hon nen khong cho phep phan ra beta đon. Tuy nhien, isobar co so nguyen tu cao hon hai, seleni-76, binding energy lon hon, do đo cho phep phan ra beta kep.
Pho phat xa cua hai electron co the đuoc tinh theo cach tuong tu nhu pho phat xa beta bang cach su dung quy tac vang Fermi. Ty le chenh lech đuoc đua ra boi cong thuc:

  
    
      
        
          
            
              d
              N
              (
              
                T
                
                  1
                
              
              ,
              
                T
                
                  2
                
              
              ,
              cos
              ⁡
              θ
              )
            
            
              d
              
                T
                
                  1
                
              
              d
              
                T
                
                  2
                
              
              d
              cos
              ⁡
              θ
            
          
        
        =
        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
        ⁡
        θ
        )
      
    
    {\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 )}
  

Trong đo cac chi so đe cap đen tung electron, T la đong nang, w la nang luong toan phan, F(Z, T) la ham Fermi voi Z la đien tich cua hat nhan o trang thai cuoi cung, p la đong luong, v la van toc tinh bang đon vi c, 
  
    
      
        cos
        ⁡
        θ
      
    
    {\displaystyle \cos \theta }
  
 la goc giua cac electron va Q la gia tri Q cua su phan ra.
Đoi voi mot so hat nhan, qua trinh xay ra nhu su bien đoi hai proton thanh hai neutron, phat ra hai neutrino electron va bat giu hai electron quy đao (bat giu electron kep). Neu chenh lech khoi luong giua nguyen tu me va nguyen tu con lon hon 1.022 MeV/c2 (khoi luong hai electron), thi co the xay ra mot phan ra khac, bat giu mot electron quy đao va phat ra mot positron. Khi chenh lech khoi luong lon hon 2.044 MeV/c2 (bon khoi luong electron), co the phat ra hai positron. Nhung nhanh phan ra ly thuyet nay đa khong đuoc quan sat.


= Cac đong vi phan ra beta kep đa biet =
Co 35 đong vi tu nhien co kha nang phan ra beta kep. Trong thuc te, su phan ra co the quan sat đuoc khi su phan ra beta đon bi "cam" boi su bao toan nang luong. Đieu nay xay ra đoi voi cac nguyen to co so nguyen tu chan va so neutron chan, on đinh hon do lien ket spin. Khi phan ra beta đon hoac phan ra alpha cung xay ra, toc đo phan ra beta kep thuong qua thap đe co the quan sat đuoc. Tuy nhien, su phan ra beta kep cua 238U (cung la mot bo phat alpha) đa đuoc đo phong xa. Hai hat nhan đa xay ra phan ra beta kep khac đa đuoc quan sat thay, 48Ca va 96Zr, ve mat ly thuyet cung co the xay ra phan ra beta đon, nhung su phan ra nay cuc ky kho xay ra va chua bao gio đuoc quan sat thay.
14 đong vi đa đuoc quan sat bang thuc nghiem trai qua qua trinh phan ra beta kep hai neutrino (β–β–) hoac bat giu electron kep (εε). Bang ben duoi gom cac hat nhan co chu ky ban ra đo đuoc bang thuc nghiem moi nhat, tinh đen thang 12 nam 2016, ngoai tru 124Xe (lan đau tien quan sat thay su bat giu electron kep vao nam 2019).

Viec tim kiem phan ra beta kep trong cac đong vi đua ra nhung thach thuc thuc nghiem lon hon đang ke. Mot đong vi nhu vay la 134Xe.
Cac hat nhan on đinh beta (beta-stable) (hoac gan nhu on đinh beta) đa biet sau đay voi A ≤ 260, ve mat ly thuyet co kha nang phan ra beta kep, trong đo mau đo la đong vi co toc đo phan ra beta kep đuoc đo bang thuc nghiem va mau đen la van chua đuoc đo bang thuc nghiem: 46Ca, 48Ca, 70Zn, 76Ge, 80Se, 82Se, 86Kr, 94Zr, 96Zr, 98Mo, 100Mo, 104Ru, 110Pd, 114Cd, 116Cd, 122Sn, 124Sn, 128Te, 130Te, 134Xe, 136Xe, 142Ce, 146Nd, 148Nd, 150Nd, 154Sm, 160Gd, 170Er, 176Yb, 186W, 192Os, 198Pt, 204Hg, 216Po, 220Rn, 222Rn, 226Ra, 232Th, 238U, 244Pu, 248Cm, 254Cf, 256Cf, va 260Fm.
Cac hat nhan on đinh beta (hoac gan nhu on đinh beta) đa biet sau đay voi A ≤ 260, ve mat ly thuyet co kha nang bat giu electron kep, trong đo mau đo la cac đong vi co toc đo bat giu electron kep đuoc đo đac va mau đen la van chua đuoc đo bang thuc nghiem: 36Ar, 40Ca, 50Cr, 54Fe, 58Ni, 64Zn, 74Se, 78Kr, 84Sr, 92Mo, 96Ru, 102Pd, 106Cd, 108Cd, 112Sn, 120Te, 124Xe, 126Xe, 130Ba, 132Ba, 136Ce, 138Ce, 144Sm, 148Gd, 150Gd, 152Gd, 154Dy, 156Dy, 158Dy, 162Er, 164Er, 168Yb, 174Hf, 180W, 184Os, 190Pt, 196Hg, 212Rn, 214Rn, 218Ra, 224Th, 230U, 236Pu, 242Cm, 252Fm, va 258No.


Phan ra beta kep phi neutrino Neu neutrino la mot hat Majorana (nghia la phan neutrino va neutrino thuc ra la cung mot hat), va it nhat mot loai neutrino co khoi luong khac khong (đa đuoc thiet lap boi cac thi nghiem dao đong neutrino), thi phan ra beta kep phi neutrino co the xay ra. Phan ra beta kep phi neutrino la mot qua trinh vi pham so lepton. Trong cach xu ly ly thuyet (theoretical treatment) đon gian nhat, đuoc goi la light neutrino exchange, mot nucleon hap thu neutrino do mot nucleon khac phat ra. Cac neutrino trao đoi la cac hat ao.
Chi voi hai electron o trang thai cuoi cung, tong đong nang cua cac electron se xap xi bang hieu nang luong lien ket cua hat nhan ban đau va hat nhan cuoi cung, voi nuclear recoil chiem phan con lai. Do su bao toan đong luong, cac electron thuong đuoc phat xa back-to-back. Toc đo phan ra cho qua trinh nay đuoc đua ra boi:

  
    
      
        Γ
        =
        G
        
          |
        
        M
        
          
            |
          
          
            2
          
        
        
          |
        
        
          m
          
            β
            β
          
        
        
          
            |
          
          
            2
          
        
        ,
      
    
    {\displaystyle \Gamma =G|M|^{2}|m_{\beta \beta }|^{2},}
  

Trong đo: G la he so khong gian pha hai vat the, M la phan tu ma tran hat nhan (nuclear matrix element) va mββ la khoi luong Majorana hieu dung cua neutrino electron. Trong boi canh light Majorana neutrino exchange, mββ đuoc cho boi:

  
    
      
        
          m
          
            β
            β
          
        
        =
        
          ∑
          
            i
            =
            1
          
          
            3
          
        
        
          m
          
            i
          
        
        
          U
          
            e
            i
          
          
            2
          
        
        ,
      
    
    {\displaystyle m_{\beta \beta }=\sum _{i=1}^{3}m_{i}U_{ei}^{2},}
  

Trong đo: mi la khoi luong neutrino va Uei la cac phan tu cua ma tran Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS). Do đo, quan sat phan ra beta kep phi neutrino, ngoai viec xac nhan ban chat cua neutrino Majorana, con co the cung cap thong tin ve thang khoi luong neutrino tuyet đoi va cac pha Majorana trong ma tran PMNS, tuy thuoc vao viec giai thich thong qua cac mo hinh ly thuyet cua hat nhan, xac đinh cac phan tu cua ma tran hat nhan, va cac mo hinh cua su phan ra.
Viec quan sat phan ra beta kep phi neutrino se yeu cau it nhat mot neutrino la hat Majorana, bat ke qua trinh co đuoc tao ra boi su trao đoi neutrino hay khong.


= Thi nghiem =
Nhieu thi nghiem đa tim kiem su phan ra beta kep phi neutrino. Cac thi nghiem hoat đong tot nhat co khoi luong đong vi đang phan ra cao va nen thap, voi mot so thi nghiem co the thuc hien phan biet hat va theo doi electron. Đe loai bo phong nen khoi cac tia vu tru, hau het cac thi nghiem đeu đuoc đat trong cac phong thi nghiem duoi long đat tren khap the gioi.
Cac thi nghiem gan đay va đuoc đe xuat bao gom:

Thi nghiem đa hoan thanh:
TPC Gotthard.
Heidelberg-Moscow, may do 76Ge (1997–2001).
NEMO, cac đong vi khac nhau su dung may đo nhiet luong theo doi (2003–2011).
Cuoricino, 130Te trong tinh the TeO2 sieu lanh (2003–2008).
Thi nghiem lay so lieu tinh đen thang 11 nam 2017:
COBRA, 116Cd trong tinh the CdZnTe o nhiet đo phong.
CUORE, 130Te trong tinh the TeO2 cuc lanh.
EXO, tim kiem 136Xe va 134Xe.
GERDA, may do 76Ge.
KamLAND-Zen, tim kiem 136Xe. Thu thap du lieu tu nam 2011.
Majorana, su dung may do tiep xuc điem loai p 76Ge co đo tinh khiet cao.
XMASS su dung xenon long.
Cac thu nghiem đuoc đe xuat trong tuong lai:
CUPID, phan ra beta kep phi neutrino cua 100Mo.
CANDLES, 48Ca trong CaF2, tai Đai thien van Kamioka.
MOON, phan trien may do 100Mo.
AMoRE, tinh the CaMoO4 đuoc lam giau 100Mo tai phong thi nghiem duoi long đat YangYang.
nEXO, su dung chat long 136Xe trong buong chieu thoi gian.
LEGEND, su phan ra beta kep phi neutrino cua 76Ge.
LUMINEU, kham pha cac tinh the ZnMoO4 đuoc lam giau 100Mo tai LSM, Phap.
NEXT, mot Xenon TPC. NEXT-DEMO đa chay va NEXT-100 se chay vao nam 2016.
SNO+, mot scintillator long, se nghien cuu 130Te.
SuperNEMO, mot ban nang cap cua NEMO, se nghien cuu 82Se.
TIN.TIN, mot may do 124Sn detector tai INO.
PandaX-III, mot thu nghiem voi 200 kg đen 1000 kg đuoc lam giau 90% 136Xe.
DUNE, mot TPC chua đay argon long pha tap 136Xe.


= Trang thai =
Trong khi mot so thi nghiem tuyen bo đa phat hien ra su phan ra beta kep phi neutrino, cac nghien cuu hien đai khong tim thay bang chung nao ve su phan ra đo.


 Tranh cai Heidelberg–Moscow  Mot so thanh vien cua nhom hop tac Heidelberg–Moscow đa tuyen bo phat hien ra su phan ra beta phi neutrino o 76Ge vao nam 2001. Tuyen bo nay đa bi chi trich boi cac nha vat ly khac cung nhu cac thanh vien khac cua nhom hop tac. Nam 2006, mot uoc tinh cua cung cac tac gia cho biet thoi gian ban ra la 2,3×1025 nam. Chu ky ban ra nay đa bi cac thi nghiem khac voi đo tin cay cao bac bo, bao gom ca thi nghiem 76Ge cua GERDA.


 Ket qua hien tai  Ke tu nam 2017, cac gioi han manh nhat đoi voi phan ra beta kep phi neutrino đen tu GERDA o 76Ge, CUORE o 130Te, va EXO-200 va KamLAND-Zen o 136Xe.


Phan ra beta đong thoi bac cao Đoi voi cac so khoi co nhieu hon 2 isobar on đinh beta, phan ra beta tu boi (quadruple beta decay) va bat giu electron tu boi (quadruple electron capture) đa đuoc đe xuat nhu la lua chon thay the cho phan ra beta kep trong cac đong vi co muc nang luong du thua lon nhat. Nhung phan ra nay co the xay ra ve mat nang luong trong 8 hat nhan, mac du partial half-life so voi phan ra beta đon hoac kep đuoc du đoan la rat dai; do đo, khong the quan sat thay phan ra beta tu boi. 8 hat nhan trien vong nhat cho phan ra beta tu boi bao gom 96Zr, 136Xe, va 150Nd co kha nang phan ra beta tru tu boi va 124Xe, 130Ba, 148Gd, va 154Dy co kha nang phan ra beta cong tu boi hoac bat giu electron tu boi. Ve ly thuyet, phan ra beta tu boi co the quan sat đuoc bang thuc nghiem o 3 trong so cac hat nhan nay, voi hat nhan trien vong nhat la 150Nd. Phan ra beta tam boi (triple beta decay) cung co the xay ra đoi voi 48Ca, 96Zr, va 150Nd.
Hon nua, phuong thuc phan ra nhu vay cung co the khong co neutrino trong vat ly ngoai Mo hinh Chuan. Phan ra beta tu boi phi neutrino se vi pham so lepton trong 4 đon vi, trai nguoc voi so lepton vuot qua 2 đon vi trong truong hop phan ra beta kep phi neutrino. Do đo, khong co 'đinh ly hop đen' va neutrino co the la hat Dirac trong khi van cho phep cac loai qua trinh nay. Đac biet, neu phan ra beta tu boi phi neutrino đuoc tim thay truoc phan ra beta kep phi neutrino thi nguoi ta ky vong rang neutrino se la hat Dirac.
Cho đen nay, cac tim kiem ve phan ra beta tam va tu boi trong 150Nd van khong thanh cong.


Xem them Bat giu electron kep
Phan ra beta
Neutrino
Buc xa hat
Hat nhan phong xa


Tham khao Lien ket ngoai Double beta decay on arxiv.org