Phân rã beta kép phi neutrino
Sự liên quan về mặt vật lý > Tổng quan

Nếu bản chất của neutrino là Majorana, thì chúng có thể được phát ra và hấp thụ trong cùng một quá trình mà không xuất hiện ở trạng thái cuối cùng tương ứng. Là các hạt Dirac, cả neutrino được tạo ra bởi sự phân rã của các boson W sẽ được phát ra và không bị hấp thụ sau đó.
Sự phân rã beta kép phi neutrino chỉ có thể xảy ra nếu:
hạt neutrino là Majorana.
tồn tại một thành phần thuận tay phải của dòng lepton yếu hoặc neutrino có thể thay đổi tính thuận tay của nó giữa phát xạ và hấp thụ (giữa hai đỉnh W), điều này có thể xảy ra đối với khối lượng neutrino khác không (đối với ít nhất một trong các loại neutrino).
Quá trình phân rã đơn giản nhất được gọi là trao đổi neutrino ánh sáng. Nó có đặc điểm là một neutrino phát ra từ một nucleon và được hấp thụ bởi một nucleon khác (xem hình bên phải). Ở trạng thái cuối cùng, phần còn lại duy nhất là hạt nhân (với số proton thay đổi  Z) và hai electron:
Hai electron được phát ra gần như đồng thời.
Khi đó, hai electron thu được là các hạt phát xạ duy nhất ở trạng thái cuối cùng và phải mang xấp xỉ hiệu của tổng năng lượng liên kết của hai hạt nhân trước và sau quá trình dưới dạng động năng của chúng. Các hạt nhân nặng không mang động năng đáng kể. Các electron sẽ được phát ra từ phía sau do sự bảo toàn động lượng.
Trong trường hợp đó, tốc độ phân rã có thể được tính bằng công thức:
Trong đó:  G^{0\nu } biểu thị hệ số không gian pha,  \left|M^{0\nu }\right|^{2} phần tử ma trận (bình phương) của quá trình phân rã hạt nhân này (theo giản đồ Feynman) và  \langle m_{\beta \beta }\rangle ^{2} là bình phương khối lượng Majorana hữu hiệu.
Đầu tiên, khối lượng Majorana hữu hiệu có thể thu được bằng công thức:
Trong đó:  m_{i} là khối lượng neutrino Majorana (ba neutrino  \nu _{i}) và  U_{ei} là các phần tử của ma trận trộn neutrino  U (xem ma trận PMNS). Các thí nghiệm hiện đại để tìm ra các phân rã beta kép phi neutrino (xem phần về các thí nghiệm) nhắm đến cả bằng chứng về bản chất Majorana của neutrino và phép đo khối lượng Majorana hiệu dụng này  \left|M^{0\nu }\right| (chỉ có thể thực hiện được nếu sự phân rã thực sự được tạo ra bởi các khối lượng neutrino).
Phần tử ma trận hạt nhân (NME)  \left|M^{0\nu }\right| không thể đo lường độc lập;[tại sao?] nó phải, hoặc cũng có thể được tính toán. Bản thân phép tính này dựa trên các lý thuyết nhiều hạt nhân tinh vi và tồn tại các phương pháp khác nhau để thực hiện điều này. NME  \left|M^{0\nu }\right| cũng khác nhau từ hạt nhân đến hạt nhân (tức là nguyên tố hóa học với nguyên tố hóa học). Ngày nay, việc tính toán NME là một vấn đề quan trọng và nó đã được các tác giả khác nhau xử lý theo những cách khác nhau. Một câu hỏi đặt ra là liệu có xử lý phạm vi giá trị thu được cho  \left|M^{0\nu }\right| là độ không đảm bảo lý thuyết và liệu điều này sau đó có được hiểu là độ không đảm bảo thống kê hay không. Các cách tiếp cận khác nhau đang được chọn ở đây. Các giá trị thu được cho  \left|M^{0\nu }\right| thường thay đổi theo hệ số từ 2 đến khoảng 5. Các giá trị điển hình nằm trong khoảng từ khoảng 0,9 đến 14, tùy thuộc vào hạt nhân / nguyên tố đang phân rã.
Cuối cùng, yếu tố không gian pha  G^{0\nu } cũng phải được tính toán. Nó phụ thuộc vào tổng động năng được giải phóng ( Q=M_{\text{nucleus}}^{\text{trước}}-M_{\text{nucleus}}^{\text{sau}}-2m_{\text{electron}}, tức là "giá trị- Q") và số hiệu nguyên tử  Z. Các phương pháp sử dụng các hàm sóng Dirac, kích thước hạt nhân hữu hạn và sàng lọc điện tử. Có tồn tại kết quả chính xác cao cho  G^{0\nu } đối với các hạt nhân khác nhau, dao động từ khoảng 0,23 (đối với  \mathrm {^{128}_{52}Te\rightarrow _{54}^{128}Xe} ) và 0,90 ( \mathrm {^{76}_{32}Ge\rightarrow _{34}^{76}Se} ) đến khoảng 24,14 ( \mathrm {^{150}_{60}Nd\rightarrow _{62}^{150}Sm} ).
Người ta tin rằng, nếu sự phân rã beta kép phi neutrino được tìm thấy trong những điều kiện nhất định (tốc độ phân rã tương thích với những dự đoán dựa trên kiến ​​thức thực nghiệm về khối lượng neutrino và sự pha trộn), thì điều này thực sự "có khả năng" chỉ ra neutrino Majorana là chất trung gian chính (main mediator) (chứ không phải các nguồn vật lý mới khác). Có 35 hạt nhân có thể trải qua quá trình phân rã beta kép không có hạt neutrino (theo các điều kiện phân rã nói trên).