Kettős béta-bomlás

A kettős béta-bomlás radioaktív bomlási mód, melynek során az atommag egyszerre két béta-részecskét sugároz ki.

Felfedezése

A kettős béta-bomlás ötletét először Maria Goeppert-Mayer vetette fel 1935-ben.^[1] 1937-ben Ettore Majorana elméletileg kimutatta, hogy a béta-bomlás elméletének minden eredménye változatlan marad, ha a neutrínó azonos a saját antirészecskéjével, azaz ha a neutrínó Majorana-részecske. Először Wendell H. Furry vetette fel 1939-ben, hogy amennyiben a neutrínó Majorana-részecske, akkor a kettős béta-bomlás neutrínó kibocsátása nélkül is végbemehet – ezt a folyamatot ma neutrínó nélküli béta-bomlásnak hívjuk.^[2]

Az 1930–40-es években a gyenge kölcsönhatás paritássértése még nem volt ismert, így az akkori számítások szerint a neutrínó nélküli béta-bomlásnak sokkal gyakoribbnak kellene lennie, mint a normális béta-bomlásnak (ha a neutrínó Majorana-részecske). Az előrejelzések szerint a felezési idők nagyságrendileg 10^15–16 évnek adódtak. A folyamat laboratóriumi megfigyelésének próbálkozásai legalább 1948-ig vezethetők vissza, amikor Edward L. Fireman először kísérelte meg megmérni az ¹²⁴Sn felezési idejét. Egészen kb. 1960-ig több más radiometrikus kísérletet is végeztek, ezek vagy negatív, vagy fals pozitív eredménnyel zárultak, melyeket nem sikerült újabb kísérletekkel megerősíteni. 1950-ben először határozták meg a ¹³⁰Te felezési idejét geokémiai módszerekkel. Az eredmény – kb. 1,4·10²¹ év – meglehetősen közel van a jelenleg elfogadott értékhez.^[2]

1956-ban, miután a gyenge kölcsönhatás V-A természetét felismerték (V: vektor; A: axiálvektor), világossá vált, hogy a neutrínó nélküli kettős béta-bomlás felezési ideje jóval hosszabb lesz, mint a normál kettős béta-bomlásé. A kísérleti technikák 1960–70-es években bekövetkezett jelentős fejlődése ellenére a kettős béta-bomlást az 1980-as évekig nem figyelték meg laboratóriumi körülmények között, csak alsó korlátot tudtak adni a felezési időkre – ez kb. 10²¹ év. Geokémiai kísérletekben viszont kimutatták a ⁸²Se és a ¹²⁸Te kettős béta-bomlását.^[2]

Laboratóriumban kettős béta-bomlást közvetlenül először 1987-ben figyelt meg egy kutatócsoport Michael Moe vezetésével a UC Irvine-on, a ⁸²Se esetén. Azóta számos közvetlen kísérletet végeztek, melyek több más nuklid esetén is kimutatták a hagyományos kettős béta-bomlást. Ezek egyike sem detektált azonban neutrínó nélküli folyamatot, ami a felezési idő alsó korlátját 10²⁵ évre tolja ki. Geokémiai kísérleteket az 1990-es évek végéig folytattak, ezek néhány további nuklidra is pozitív eredménnyel zárultak.^[2] A kettős béta-bomlás az ismert legritkább fajta radioaktív bomlás, 2012-ben csak 12 ilyen nuklid volt ismert (beleértve a ¹³⁰Ba-at is, melynek kettős elektronbefogását 2001-ben figyelték meg), és ezek mindegyikének az átlagos élettartama több, mint 10¹⁸ év (lásd a táblázatot).^[2]

Hagyományos kettős béta-bomlás

A kettős béta-bomlás során az atommagban két neutron protonná alakul két elektron és két elektron-antineutrínó kibocsátása közben. A folyamat két negatív béta-bomlás összegének tekinthető. (Kettős) Béta-bomlás csak akkor mehet végbe, ha a termékmag kötési energiája nagyobb, mint a kiindulási atommagé. Néhány atommag, például a germánium-76 esetében az eggyel nagyobb rendszámú mag kötési energiája kisebb, ezért egyszeres béta-bomlás nem játszódhat le. A kettővel nagyobb rendszámú szelén-76 atommag kötési energiája azonban nagyobb, ami lehetővé teszi a kettős béta-bomlást.

Néhány mag esetén a folyamat két protonnak neutronná történő átalakulásával zajlik, két elektronneutrínó kibocsátása és két héjelektron befogása közben (kettős elektronbefogás). Ha a szülő- és a leánymag között a tömegkülönbség nagyobb, mint 1,022 MeV/c² (két elektrontömeg), akkor másik bomlási mód is elképzelhető, nevezetesen egy elektron befogása és egy pozitron kibocsátása. Ha a tömegkülönbség meghaladja a 2,044 MeV/c² értéket (négy elektrontömeg), akkor két pozitron kibocsátása is lehetséges. Ezeket az elméletileg lehetséges kettős béta-bomlási módokat még nem figyelték meg.

Az ismert kettős béta-bomló nuklidok listája

35 természetben előforduló nuklid létezik, melyeknél felléphet kettős béta-bomlás, kísérletileg azonban csak tizenegy esetben figyeltek meg kétneutrínós kettős béta-bomlást.^[3]

Elméletileg számos nuklid képes kettős béta- és más bomlási módokra is. A legtöbb esetben azonban a kettős béta-bomlás olyan ritkán következik be, hogy az egyéb sugárzások között szinte lehetetlen megfigyelni. Radiokémiai módszerekkel azonban megmérték az (egyben alfa-sugárzó) ²³⁸U kettős béta-bomlási sebességét – e bomlás révén ²³⁸Pu keletkezik. Az alábbi listában szereplő ⁴⁸Ca és ⁹⁶Zr egyszeres béta-bomlásra is képes, de ez a bomlástípus itt rendkívül visszaszorult és még soha nem figyelték meg.

Az alábbi táblázat a kísérletileg meghatározott felezési idejű nuklidok információit tartalmazza. Az eredmények a 2012 decemberi ismereteket tükrözik. Csak a legújabb közvetlen (számlálásos) eredmények (DIR) vannak megadva, ha ismertek ilyenek. Más esetekben a geokémiai (GEO) becslés van feltüntetve. Az első hibaérték a statisztikus hiba, a második a rendszeres hiba.^[3]

Nuklid	Felezési idő, 10²¹ év	Átmenet	Módszer	Kísérlet
⁴⁸Ca	0,044^+0,005_−0,004 ± 0,004		DIR	NEMO-3
⁷⁶Ge	1,74 ± 0,01 ^+0,18_−0,16		DIR	DOERR
⁸²Se	0,096 ± 0,003 ± 0,010		DIR	NEMO-3
⁹⁶Zr	0,0235 ± 0,0014 ± 0,0016		DIR	NEMO-3
¹⁰⁰Mo	0,00711 ± 0,00002 ± 0,00054		DIR	NEMO-3
¹⁰⁰Mo	0,69^+0,10_−0,08 ± 0,07	0⁺→ 0⁺₁	DIR	Ge coincidence
¹¹⁶Cd	0,028 ± 0,001 ± 0,003		DIR	NEMO-3
¹²⁸Te	7200 ± 400		GEO
¹³⁰Te	0,7 ± 0,09 ± 0,11		DIR	NEMO-3
¹³⁶Xe	2,38 ± 0,02 ± 0,14		DIR	KamLAND-Zen^[4]
¹⁵⁰Nd	0,00911^+0,00025_−0,00022 ± 0,00063		DIR	NEMO-3
²³⁸U	2,0 ± 0,6		GEO

Neutrínó nélküli kettős béta-bomlás

A neutrínó nélküli kettős béta-bomlás Feynman-gráfja: két neutron két protonná bomlik. Ebben a folyamatban csak két elektron lép ki, ami akkor történhet meg, ha a neutrínó és az antineutrínó ugyanaz a részecske (azaz Majorana-neutrínó), mert így ugyanaz a neutrínó a magon belül emittálódhat és el is nyelődhet. A szokványos kettős béta-bomlás során a két elektronon kívül két antineutrínó – mindkét W csúcsból (vertexből) egy-egy – is kilép a magból. A neutrínó nélküli kettős béta-bomlás észlelése ezért nagyon érzékeny vizsgálati módszer annak megállapítására, hogy a neutrínók Majorana-részecskék-e.

Az előző pontban leírt folyamatot kétneutrínós kettős béta-bomlásnak is nevezik, mivel ennek során két neutrínó (vagy antineutrínó) lép ki. Ha a neutrínó Majorana-részecske (azaz ha az antineutrínó és a neutrínó valójában ugyanaz a részecske), és legalább az egyik típusú neutrínó tömege nullától eltérő (amit igazoltak a neutrínóoszcillációs kísérletek), akkor lehetséges a neutrínó nélküli kettős béta-bomlás. Ezen bomlástípus legegyszerűbb elméleti tárgyalásában (könnyűneutrínó-csere) a két neutrínó lényegében megsemmisíti egymást (annihiláció), vagy, ami ezzel azonos, a mag egyik nukleonja által kibocsátott neutrínót elnyeli egy másik nukleon.

A diagramon látható neutrínók virtuális részecskék. A végső állapotban csak két elektront tekintve ezek teljes mozgási energiája nagyjából megfelelne a mag végső és kezdeti kötési energiájának különbségével (a rendelkezésre álló energia maradéka a mag visszalökődésére fordítódik). A két elektron az impulzusmegmaradás miatt nagyon jó közelítéssel egymással ellentétes irányba lép ki.

A bomlási sebesség (közelítőleg):

\Gamma =~~~~{G|M|^{2}|m_{\beta \beta }|^{2}},

ahol $G$ a kéttest fázisfaktor, $M$ a magmátrix eleme és m_ββ az úgynevezett effektív Majorana-neutrínótömeg, melynek értéke:

m_{\beta \beta }=\sum _{i=1}^{3}m_{i}U_{ei}^{2}.

Utóbbi kifejezésben m_i a neutrínótömeg (az i-edik tömeg-sajátállapotban), U_ei pedig a Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata-(PMNS)-mátrix elemei. Következésképp a neutrínó nélküli kettős béta-bomlás megfigyelése azon túl, hogy igazolná a neutrínó Majorana-természetét, a neutrínó abszolút tömegének nagyságáról is információt szolgáltatna, és esetleg további információt adna a neutrínó tömeghierarchiáról és a PNMS-mátrixban megjelenő Majorana-fázisról is.^[5]^[6]

Kísérletek

Számos kísérletet végeztek a neutrínó nélküli kettős béta-bomlás felfedezése céljából. Néhány utóbbi és tervezett jövőbeli kísérlet:

Befejezett kísérletek:
- Gotthard TPC
- Heidelberg-Moscow
- IGEX
- NEMO1, 2 és 3
Adatgyűjtési fázisban lévő kísérletek:
- COBRA
- CUORICINO Archiválva 2009. február 6-i dátummal a Wayback Machine-ben és CUORE Archiválva 2013. december 8-i dátummal a Wayback Machine-ben
- DCBA
- EXO
- GERDA
- MOON
- KamLAND-Zen Archiválva 2013. március 11-i dátummal a Wayback Machine-ben
Tervezett kísérletek:
- CANDLES és XMASS a Kamioka Observatoryban
- MAJORANA
- NEXT^{[halott link]}
- SNO+
- SuperNEMO

Ellentmondás a Heidelberg–Moszkva együttműködéssel

A Heidelberg–Moszkva együttműködés 2001-ben közölt adatai korlátot állítanak fel a germánium-76 neutrínó nélküli béta-bomlására.^[1] A felezési idő alsó határára 1,9·10²⁵ évet kaptak, míg a neutrínó tömegének felső határára 0,3–0,6 eV értéket becsültek. Ugyanebben az évben azonban az együttműködésben részt vevő kutatók egy csoportja azt állította, hogy – 1,5·10²⁵ éves felezési idővel – ténylegesen megfigyelték a neutrínó nélküli béta-bomlást, ami alapján a neutrínó tömege körülbelül 0,4 eV.^[7] Az állítást az együttműködés más tagjai^[8]^[1] és más fizikusok is kritizálták.^[9]^[10] 2006-ban ugyanazok a kutatók egy pontosított becslést publikáltak, mely szerint a felezési idő 2,3·10²⁵ év. Ez az érték javított adatkezelési eljárásokon, valamint a hosszabb megfigyelési idő alatt gyűjtött adatokon alapult.^[1]^[11]

A 2012-es állapot szerint a helyzet nem egyértelmű, de a várakozások szerint a jövőben a további, érzékenyebb kísérletek fel fogják oldani ezt az ellentmondást.^[1]

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Double beta decay című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Hivatkozások

↑ ^a ^b ^c ^d ^e (2012) „Neutrinoless Double-Beta Decay”. Advances in High Energy Physics 2012, 1. o. DOI:10.1155/2012/857016.
↑ ^a ^b ^c ^d ^e (2011) „Experiment double beta decay: Historical review of 75 years of research”. Physics of Atomic Nuclei 74 (4), 603–613. o. DOI:10.1134/S1063778811030070.
↑ ^a ^b (2012) „Review of Particle Physics”. Physical Review D 86. DOI:10.1103/PhysRevD.86.010001. β-decay. pp. 631–632
↑ (2012) „Measurement of the double-β decay half-life of ¹³⁶Xe with the KamLAND-Zen experiment”. Physical Review C 85 (4). DOI:10.1103/PhysRevC.85.045504.
↑ K. Grotz and H.V. Klapdor, „The Weak Interaction in Nuclear, Particle and Astrophysics“, Adam Hilger, Bristol, 1990, 461 ps.
↑ H.V. Klapdor, A. Staudt „Non-accelerator Particle Physics“, 2.edition, Institute of Physics Publishing, Bristol, Philadelphia, 1998, 535 ps.
↑ (2001) „Evidence for Neutrinoless Double Beta Decay”. Modern Physics Letters A 16 (37), 2409. o. DOI:10.1142/S0217732301005825.
↑ (2003) „Results of the experiment on investigation of Germanium-76 double beta decay”. Proceedings of the NANP, Dubna, Russia.
↑ (2002) „Comment on "evidence for Neutrinoless Double Beta Decay"”. Modern Physics Letters A 17 (22), 1475. o. DOI:10.1142/S0217732302007715.
↑ (2002) „Has neutrinoless double β decay of 76Ge been really observed?”. Physics Letters B 546 (3–4), 206. o. DOI:10.1016/S0370-2693(02)02705-3.
↑ (2006) „THE EVIDENCE FOR THE OBSERVATION OF 0νββ DECAY: THE IDENTIFICATION OF 0νββ EVENTS FROM THE FULL SPECTRA”. Modern Physics Letters A 21 (20), 1547. o. DOI:10.1142/S0217732306020937.

Kapcsolódó szócikkek

[Giuliani2012-1] (2012) „Neutrinoless Double-Beta Decay”. Advances in High Energy Physics 2012, 1. o. DOI:10.1155/2012/857016.

[Barabash2011-2] (2011) „Experiment double beta decay: Historical review of 75 years of research”. Physics of Atomic Nuclei 74 (4), 603–613. o. DOI:10.1134/S1063778811030070.

[Beringer2012-3] (2012) „Review of Particle Physics”. Physical Review D 86. DOI:10.1103/PhysRevD.86.010001. β-decay. pp. 631–632

[4] (2012) „Measurement of the double-β decay half-life of ¹³⁶Xe with the KamLAND-Zen experiment”. Physical Review C 85 (4). DOI:10.1103/PhysRevC.85.045504.

[5] K. Grotz and H.V. Klapdor, „The Weak Interaction in Nuclear, Particle and Astrophysics“, Adam Hilger, Bristol, 1990, 461 ps.

[6] H.V. Klapdor, A. Staudt „Non-accelerator Particle Physics“, 2.edition, Institute of Physics Publishing, Bristol, Philadelphia, 1998, 535 ps.

[7] (2001) „Evidence for Neutrinoless Double Beta Decay”. Modern Physics Letters A 16 (37), 2409. o. DOI:10.1142/S0217732301005825.

[8] (2003) „Results of the experiment on investigation of Germanium-76 double beta decay”. Proceedings of the NANP, Dubna, Russia.

[9] (2002) „Comment on "evidence for Neutrinoless Double Beta Decay"”. Modern Physics Letters A 17 (22), 1475. o. DOI:10.1142/S0217732302007715.

[10] (2002) „Has neutrinoless double β decay of 76Ge been really observed?”. Physics Letters B 546 (3–4), 206. o. DOI:10.1016/S0370-2693(02)02705-3.

[11] (2006) „THE EVIDENCE FOR THE OBSERVATION OF 0νββ DECAY: THE IDENTIFICATION OF 0νββ EVENTS FROM THE FULL SPECTRA”. Modern Physics Letters A 21 (20), 1547. o. DOI:10.1142/S0217732306020937.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]