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.
1 Историја
Идејата за двојно бета распаѓање за првпат беше предложена од страна на Марија Геперт Мајер во 1935 година. 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. 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 Сè уште не се знае дали неутриното е Мајоранска честичка, и тоа дали, безнеутринскиот двоен бета-распад постои во природата.
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<sup>15-16</sup>години. 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 <sup>124</sup>Sn со помош на гајгеров бројач. 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 <sup>130</sup>Те се измери со помош на геохемиски методи, кој изнесува 1.4 × 10<sup>21</sup> години, 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 10<sup>21</sup> години. Од друга страна, геохемиските експерименти открија двоен бета-распад на <sup>82</sup>Se и <sup>128</sup>Te.
Двојното бета распаѓање за првпат е забележано во лабораторија во 1987 година од страна на групата на Мајкл Moe во УЗ Ирвин на <sup>82</sup>Se. 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 околу10<sup>25</sup> 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 10<sup>18</sup> год.
2 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.
2.1 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 <sup>238</sup>U (исто така алфа емитер) е измерено радиохемиски. Двата од нуклидите (<sup>48</sup>Ca и <sup>96</sup>Zr), 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. Во табелата подолу се содржат нуклиди со најновите експериментално измерени полураспади, заклучно со декември 2012 година.
Нуклид, Полураспад, 10<sup>21</sup> години, Премин, Метод, Експеримент
0,044 ± 0,004, директен, NEMO-3
1,84, директен, GERDA (2013)
0,096 ± 0,003 ± 0,010, директен, NEMO-3
0,0235 ± 0,0014 ± 0,0016, директен, NEMO-3
0,00711 ± 0,00002 ± 0,00054, директен, NEMO-3
0,69 ± 0,07, 0<sup>+</sup>→ 0<sup>+</sup><sub>1</sub>, директен, Ge случајно
0,028 ± 0,001 ± 0,003, директен, NEMO-3
7200 ± 400, геохемиски
0,7 ± 0,09 ± 0,11, директен, NEMO-3
2,165 ± 0,016 ± 0,059, директен, Збогатена ксенонска опсерваторија EXO-200
0,00911 ± 0,00063, директен, NEMO-3
2,0 ± 0,6, геохемиски
Забелешка:Во табелата погоре каде две грешки се запишани прватѕа е статистичка грешка а втората систематска.
3 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
:<math>\Gamma = ~~~~{G |M|^2 |m_{\beta \beta}|^2},</math>
каде <math>G</math> е двојно-тело фаза фактор, <math>M</math> е јадрен елемент на матрицата и m<sub>ββ</sub> е делотворна Мајорана маса на електронот неутрино, дадена од страна на
:<math>m_{\beta \beta} = \sum_{i=1}^3 m_i U^2_{ei}.</math>
Во овој израз, m<sub>i</sub> е масата на неутриното и U<sub>ei</sub> 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.
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.
3.1 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, <sup>116</sup>Cd на собна температура CdZnTe кристали
** CUORE(CUORE-0), <sup>130</sup>Te во TeO<sub>2</sub> кристали.
** DCBA, тестирање на магнетно следечки детектор при KEK
** EXO, потрага по <sup>136</sup>Xe
** GERDA, детектор на <sup>76</sup>Ge
** KamLAND-Zen, потрага по <sup>136</sup>Xe
** MAJORANA, користи високо чисти p-типни <sup>76</sup>Ge контактни детектори
** XMASS користи течен Xe
* Предложени/идни експереименти:
** CANDLES, <sup>48</sup>Ca во CaF<sub>2,</sub> при Камиока
** MOON, во развој <sup>100</sup>Mo детектори
** AMoRE, <sup>100</sup>Mo збогатени CaMoO4 кристали при подземната лабораторија ЈангЈанг** LUMINEU, истражување на <sup>100</sup>Mo збогатен ZnMoO<sub>4</sub> кристали при LSM, Франција.
** NEXT, ксенон TPC. NEXT-DEMO и NEXT-100 во текот на 2016 година.
** SNO+, течен сцинтилатор, ќе го испитува <sup>130</sup>Te
** SuperNEMO, надградба на NEMO, ќе го испитува <sup>82</sup>Se
** TIN.TIN, <sup>124</sup>Sn детектор при INO
3.2 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.
3.2.1 Хајделберг-Московски спор
Соработката меѓу Хајделберг и Москва првично успеала да добие безнеутрински двоен бета-распад кај <sup>76</sup>Ge. Подоцна некој членови тврделе дека го забележале во 2001 одина. Ова тврдење било критикувани од други физичари како и од другите членови вклучени во соработката. Во 2006 година прочистена проценка од истите автори тврдела дека полураспадот бил 2,3 години. Почувствителни експерименти се очекува да помогнат да се разреши спорот.
3.2.2 Моментални резултати
Од 2014 година, GERDA постигнала малку пониски пизадини, добивајќи полураспад од 2,1 години при изложеност од 21,6 кг*yr. Податоците од IGEX и HDM ја зголемуваат границата на 3 yr и го отфрлаат забележувањети си висока сигурност.
Потрагите со <sup>136</sup>Xe, Камланд-Зен и EXO-200, добиле граница од 2,6 yr. користејќи ги најновите јадрени матрични елементи, резултатите од <sup>136</sup>Xe ги побиваат Хајделберг-Московските тврдења.
4 Поврзано
* Двоен електронски зафат
* Бета-распад
* Неутрино
* Честично зрачење
* Радионуклид