이중 베타 붕괴

이중 베타 붕괴(double beta decay)란 쉽게 말해서 베타 붕괴가 한꺼번에 두 번 일어나는 과정이다. 즉, 베타 붕괴 과정에서 핵 내부의 또 다른 중성자가 양성자로 변함과 동시에 전자 및 반중성미자를 방출하며, 불안정한 핵이 붕괴하는 현상이다. 베타 붕괴가 가능하기 위해서는, 최종 핵이 원래 핵보다 더 높은 결합 에너지를 지니고 있어야 한다. 게르마늄-76을 예를 들면, 자신보다 원자 번호가 1 높은 비소-76은 더 낮은 결합에너지를 가지고 있으며, 베타붕괴가 일어나지 않는다. 하지만, 2 높은 원자번호를 가지고 있는 셀레늄-76은 더 큰 결합에너지를 가지고 있으며 이는 '이중 베타 붕괴'의 대상이 된다.

이중 베타 붕괴에서, 원자핵 내부의 두 개의 중성자는 두 개의 양성자로 변하며, 그 과정에서 두 개의 전자 및 두 개의 반중성미자가 방출된다. 이 과정은 1986년 처음으로 관찰되었다. 이중 베타 붕괴는 방사성 감쇠 중 가장 희귀한 경우이다. 단지 10개의 동위원소에서만 관측되었으며, 그 모두는 평균 수명이 1019년 이상이다.

일부 원자핵에서, 이 과정은 두 개의 양성자가 두 개의 중성자로 변함과 동시에, 두 개의 중성미자를 방출하고, 두 개의 궤도 전자를 흡수(이중 전자 포획)하는 경우에도 발생한다. 만약 어미핵과 딸핵의 질량 차이가 1022 keV(두 개의 전자 질량) 이상 날 경우, 하나의 전자를 포획함과 동시에 하나의 양전자를 방출하는 또 다른 핵과정이 가능해진다. 또한 질량 차이가 2044 keV(네 개의 전자 질량) 이상일 경우는, 세 번째의 경우가 발생하는데, 이는 두 개의 양전자를 방출한다. 이러한 여러 경우의 이중 베타 붕괴는 예측만 되었을 뿐 아직 관측된 적은 없다.

중성미자 없는 이중 베타 붕괴 
위에 언급된 모든 과정은 두 개의 중성미자를 가지는 이중 베타 붕괴로 알려져 있다. 즉 두 개의 중성미자, 혹은 반중성미자를 방출하는 것이다. 만약, 중성미자가 마요라나 입자라면, 다시 말해 반중성미자와 중성미자가 실제로는 같은 입자라면, 중성미자 없는 이중 베타 붕괴가 가능하다. 중성미자 없는 과정에서는 방출되는 중성미자가 그 즉시 원자핵 내부의 다른 핵자에 의해 반중성미자로서 흡수되어서, 두 전자의 전체 운동 에너지는 정확히 처음 및 나중 상태의 원자핵의 결합 에너지의 차이가 된다. 중성미자 없는 이중 베타 붕괴를 발견하기 위해 많은 실험이 수행되었는데, 이는 실제로 중성미자가 마요라나 입자인지와 실제 중성미자 질량에 대한 해답을 구하기 위해서이다.

같이 보기 
 이중 전자 포획
 베타 붕괴
 중성미자
 입자 복사
 방사성 동위원소

입자물리학
핵물리학
방사능