Doble desintegración beta

Tipo de desintegración radiactiva

En física nuclear , la desintegración beta doble es un tipo de desintegración radiactiva en la que dos neutrones se transforman simultáneamente en dos protones , o viceversa, en el interior de un núcleo atómico . Como en la desintegración beta simple , este proceso permite que el átomo se acerque a la proporción óptima de protones y neutrones. Como resultado de esta transformación, el núcleo emite dos partículas beta detectables , que son electrones o positrones .

La literatura distingue entre dos tipos de desintegración doble beta: desintegración doble beta ordinaria y desintegración doble beta sin neutrinos . En la desintegración beta doble ordinaria, que se ha observado en varios isótopos, el núcleo en descomposición emite dos electrones y dos antineutrinos electrónicos . En la desintegración doble beta sin neutrinos, un proceso hipotético que nunca se ha observado, solo se emitirían electrones.

Historia

La idea de la desintegración beta doble fue propuesta por primera vez por Maria Goeppert Mayer en 1935. ^{[1] [2]} En 1937, Ettore Majorana demostró que todos los resultados de la teoría de la desintegración beta permanecerían sin cambios si el neutrino fuera su propia antipartícula, ahora conocida como Majorana. partícula . ^[3] En 1939, Wendell H. Furry propuso que si los neutrinos son partículas de Majorana, entonces la desintegración beta doble puede ocurrir sin la emisión de ningún neutrino, a través del proceso ahora llamado desintegración beta doble sin neutrinos . ^[4] Aún no se sabe si el neutrino es una partícula de Majorana y, en relación con esto, si existe en la naturaleza una desintegración doble beta sin neutrinos. ^[5]

Como la violación de la paridad en las interacciones débiles no se descubriría hasta 1956, cálculos anteriores demostraron que la desintegración doble beta sin neutrinos debería ser mucho más probable que ocurriera que la desintegración doble beta ordinaria, si los neutrinos fueran partículas de Majorana. Las vidas medias previstas fueron del orden de 10¹⁵ ~ 10¹⁶  años. ^[5] Los esfuerzos para observar el proceso en laboratorio se remontan al menos a 1948, cuando EL Fireman hizo el primer intento de medir directamente la vida media del¹²⁴
sn
isótopo con un contador Geiger . ^[6] Los experimentos radiométricos realizados alrededor de 1960 produjeron resultados negativos o falsos positivos, no confirmados por experimentos posteriores. En 1950, por primera vez se determinó la vida media de la doble desintegración beta de¹³⁰
te
se midió por métodos geoquímicos y era 1,4 × 10²¹  años, ^[7] razonablemente cerca del valor moderno. Se trataba de detectar la concentración en minerales del xenón producido por la desintegración.

En 1956, después de que se estableció la naturaleza V-A de las interacciones débiles , quedó claro que la vida media de la desintegración doble beta sin neutrinos excedería significativamente la de la desintegración doble beta ordinaria. A pesar de los avances significativos en las técnicas experimentales en los años 1960 y 1970, la desintegración beta doble no se observó en un laboratorio hasta los años 1980. Los experimentos sólo habían podido establecer el límite inferior de la vida media: alrededor de 10²¹  años. Al mismo tiempo, experimentos geoquímicos detectaron la doble desintegración beta de82síy¹²⁸
te
. ^[5]

La desintegración beta doble fue observada por primera vez en un laboratorio en 1987 por el grupo de Michael Moe en UC Irvine en82sí. ^[8] Desde entonces, muchos experimentos han observado la desintegración beta doble ordinaria en otros isótopos. Ninguno de esos experimentos ha producido resultados positivos para el proceso sin neutrinos, elevando el límite inferior de la vida media a aproximadamente 10²⁵  años. Los experimentos geoquímicos continuaron durante la década de 1990 y produjeron resultados positivos para varios isótopos. ^[5] La desintegración beta doble es el tipo de desintegración radiactiva más raro conocido; a partir de 2019 se ha observado en solo 14 isótopos (incluida la captura de doble electrón en¹³⁰
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observado en 2001,78krobservado en 2013, y¹²⁴
xe
observado en 2019), y todos tienen una vida media superior a 10¹⁸  años (tabla a continuación). ^[5]

Desintegración beta doble ordinaria

En una desintegración beta doble típica, dos neutrones del núcleo se convierten en protones y se emiten dos electrones y dos antineutrinos electrónicos . El proceso puede considerarse como dos desintegraciones beta negativas simultáneas . Para que sea posible la (doble) desintegración beta, el núcleo final debe tener una energía de enlace mayor que el núcleo original. Para algunos núcleos, como el germanio-76 , la isobara con un número atómico mayor ( arsénico-76 ) tiene una energía de enlace menor, lo que evita la desintegración beta única. Sin embargo, la isobara con número atómico dos mayor, el selenio-76 , tiene una energía de enlace mayor, por lo que se permite la doble desintegración beta.

El espectro de emisión de los dos electrones se puede calcular de forma similar al espectro de emisión beta utilizando la regla de oro de Fermi . La tasa diferencial está dada por

$${\displaystyle {\frac {dN(T_{1},T_{2},\cos \theta )}{dT_{1}dT_{2}d\cos \theta }}=F(Z,T_{1})F(Z,T_{2})w_{1}p_{1}w_{2}p_{2}(Q-T_{1}-T_{2})^{5}(1-v_{1}v_{2}\cos \theta )}$$

donde los subíndices se refieren a cada electrón, T es energía cinética, w es energía total, F ( Z , T ) es la función de Fermi con Z la carga del núcleo en estado final, p es el momento, v es la velocidad en unidades de c , es el ángulo entre los electrones y Q es el valor Q de la desintegración. ${\displaystyle \cos \theta }$

Para algunos núcleos, el proceso ocurre como la conversión de dos protones en neutrones, emitiendo dos neutrinos electrónicos y absorbiendo dos electrones orbitales (captura doble de electrones). Si la diferencia de masa entre los átomos padre e hijo es superior a 1,022 MeV/ c ² (dos masas de electrones), es posible otra desintegración, captura de un electrón orbital y emisión de un positrón . Cuando la diferencia de masa es superior a 2,044 MeV/ c ² (cuatro masas de electrones), es posible la emisión de dos positrones. Estas ramas de decadencia teóricas no se han observado.

Isótopos de doble desintegración beta conocidos

Hay 35 isótopos naturales capaces de sufrir una doble desintegración beta. ^[9] En la práctica, la desintegración se puede observar cuando la conservación de energía prohíbe la desintegración beta única. Esto sucede con elementos con un número atómico par y un número de neutrones par , que son más estables debido al acoplamiento de espín . Cuando también se produce una desintegración beta simple o una desintegración alfa, la tasa de desintegración beta doble es generalmente demasiado baja para observarla. Sin embargo, la doble desintegración beta de²³⁸
Ud.
(también un emisor alfa) se ha medido radioquímicamente. Otros dos nucleidos en los que se ha observado desintegración beta doble,⁴⁸
California
y96zr, también puede teóricamente desintegrarse beta, pero esta desintegración está extremadamente suprimida y nunca se ha observado. Una supresión similar de la desintegración beta única, energéticamente apenas posible, se produce en el ¹⁴⁸ Gd y ^{el 222} Rn, pero ambos nucleidos son emisores alfa de vida bastante corta.

Se han observado experimentalmente catorce isótopos que sufren una doble desintegración beta de dos neutrinos (β ^– β ^– ) o una doble captura de electrones (εε). ^[10] La siguiente tabla contiene nucleidos con las últimas vidas medias medidas experimentalmente, a diciembre de 2016, excepto ¹²⁴ Xe (para el cual se observó por primera vez una doble captura de electrones en 2019). Cuando se especifican dos incertidumbres, la primera es estadística y la segunda es sistemática.

Se están realizando búsquedas de desintegración beta doble en isótopos que presentan desafíos experimentales significativamente mayores. Uno de esos isótopos es ¹³⁴
xe
. ^[dieciséis]

Los siguientes nucleidos beta estables conocidos (o casi beta estables en los casos ⁴⁸ Ca, ⁹⁶ Zr y ²²² Rn) ^[17] con A ≤ 260 son teóricamente capaces de una doble desintegración beta, donde el rojo son isótopos que tienen una doble desintegración beta. la tasa beta se midió experimentalmente y el negro aún no se ha medido experimentalmente: ⁴⁶ Ca, ⁴⁸ Ca , ⁷⁰ Zn, ⁷⁶ Ge , ⁸⁰ Se, ⁸² Se , ⁸⁶ Kr, ⁹⁴ Zr, ⁹⁶ Zr , ⁹⁸ Mo, ¹⁰⁰ Mo , ¹⁰⁴ Ru, ¹¹⁰ Paladio, ¹¹⁴ Cd, ¹¹⁶ Cd , ¹²² Sn, ¹²⁴ Sn, ¹²⁸ Te , ¹³⁰ Te , ¹³⁴ Xe, 136 ^Xe , 142 ^Ce , ¹⁴⁶ Nd, ¹⁴⁸ Nd, ¹⁵⁰ Nd , ¹⁵⁴ Sm, ¹⁶⁰ Gd, ¹⁷⁰ Er, ¹⁷⁶ Yb, ¹⁸⁶ W, ¹⁹² Os, ¹⁹⁸ Pt, ²⁰⁴ Hg, ²¹⁶ Po, ²²⁰ Rn, ²²² Rn, ²²⁶ Ra, ²³² Th, ²³⁸ U , ²⁴⁴ Pu, ²⁴⁸ Cm, ²⁵⁴ Cf, ²⁵⁶ Cf y ²⁶⁰ Fm. ^[9]

Los siguientes nucleidos beta-estables (o casi beta-estables en el caso de ¹⁴⁸ Gd) conocidos con A ≤ 260 son teóricamente capaces de capturar dos electrones, donde el rojo son isótopos que tienen una tasa de captura de doble electrón medida y el negro aún no se ha medido. medido experimentalmente: ³⁶ Ar, ^​​40 Ca, ⁵⁰ Cr, ⁵⁴ Fe, ⁵⁸ Ni, ⁶⁴ Zn, ⁷⁴ Se, ⁷⁸ Kr , ⁸⁴ Sr, ⁹² Mo, ⁹⁶ Ru, ¹⁰² Pd, ¹⁰⁶ Cd, ¹⁰⁸ Cd, ¹¹² Sn, ¹²⁰ Te , ¹²⁴ Xe , ¹²⁶ Xe, ¹³⁰ Ba , ¹³² Ba, ¹³⁶ Ce, ¹³⁸ Ce, ¹⁴⁴ Sm, ¹⁴⁸ Gd, ¹⁵⁰ Gd, ¹⁵² Gd , ¹⁵⁴ Dy , ¹⁵⁶ Dy, ^{158 Dy, 162} Er , ¹⁶⁴ Er, ¹⁶⁸ Yb, ¹⁷⁴ Hf, ¹⁸⁰ W, ¹⁸⁴ Os, ¹⁹⁰ Pt, ¹⁹⁶ Hg, ²¹² Rn, ²¹⁴ Rn, ²¹⁸ Ra, ²²⁴ Th, ²³⁰ U, ²³⁶ Pu, ²⁴² Cm, ²⁵² Fm y ²⁵⁸ No. ^[9]

En particular, ³⁶ Ar es el nucleido observacionalmente estable más ligero cuya desintegración es energéticamente posible.

Desintegración doble beta sin neutrinos

Diagrama de Feynman de desintegración doble beta sin neutrinos, con dos neutrones desintegrándose en dos protones. Los únicos productos emitidos en este proceso son dos electrones, lo que puede ocurrir si el neutrino y el antineutrino son la misma partícula (es decir, neutrinos de Majorana), por lo que el mismo neutrino puede emitirse y absorberse dentro del núcleo. En la desintegración beta doble convencional, el núcleo emite dos antineutrinos, uno que surge de cada vértice W, además de los dos electrones. La detección de la desintegración doble beta sin neutrinos es, por tanto, una prueba sensible para determinar si los neutrinos son partículas de Majorana.

Si el neutrino es una partícula de Majorana (es decir, el antineutrino y el neutrino son en realidad la misma partícula), y al menos un tipo de neutrino tiene masa distinta de cero (que ha sido establecida mediante los experimentos de oscilación de neutrinos ), entonces es posible para que se produzca la desintegración doble beta sin neutrinos. La desintegración doble beta sin neutrinos es un proceso que viola el número de leptones . En el tratamiento teórico más simple, conocido como intercambio de neutrinos ligeros, un nucleón absorbe el neutrino emitido por otro nucleón. Los neutrinos intercambiados son partículas virtuales .

Con sólo dos electrones en el estado final, la energía cinética total de los electrones sería aproximadamente la diferencia de energía de enlace de los núcleos inicial y final, y el retroceso nuclear representaría el resto. Debido a la conservación del momento , los electrones generalmente se emiten espalda con espalda. La tasa de descomposición de este proceso está dada por

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

GMm _ββm _ββ

$${\displaystyle m_{\beta \beta }=\sum _{i=1}^{3}m_{i}U_{ei}^{2},}$$

donde m _i son las masas de neutrinos y U _ei son elementos de la matriz Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) . Por tanto, observar la desintegración doble beta sin neutrinos, además de confirmar la naturaleza de los neutrinos de Majorana, puede dar información sobre la escala de masa absoluta de neutrinos y las fases de Majorana en la matriz PMNS, sujeta a interpretación a través de modelos teóricos del núcleo, que determinan los elementos de la matriz nuclear. y modelos de decadencia. ^{[18] [19]}

La observación de la desintegración doble beta sin neutrinos requeriría que al menos un neutrino sea una partícula de Majorana , independientemente de si el proceso es engendrado por intercambio de neutrinos. ^[20]

experimentos

Numerosos experimentos han buscado la desintegración doble beta sin neutrinos. Los experimentos de mejor rendimiento tienen una gran masa del isótopo en descomposición y bajos fondos, y algunos experimentos son capaces de realizar discriminación de partículas y seguimiento de electrones. Para eliminar el fondo de los rayos cósmicos, la mayoría de los experimentos se realizan en laboratorios subterráneos de todo el mundo.

Los experimentos recientes y propuestos incluyen:

• Experimentos completados:
  • San Gotardo TPC
  • Heidelberg-Moscú, ⁷⁶ detectores Ge (1997-2001)
  • IGEX, detectores ^{de 76} Ge (1999-2002) ^[21]
  • NEMO , varios isótopos que utilizan calorímetros de seguimiento (2003-2011)
  • Cuoricino , ¹³⁰ Te en cristales de TeO ₂ ultrafríos (2003-2008) ^[22]
• Experimentos que toman datos a noviembre de 2017:
  • COBRA , ¹¹⁶ Cd en cristales de CdZnTe a temperatura ambiente
  • CUORE , ¹³⁰ Te en cristales de TeO ₂ ultrafríos
  • EXO , una búsqueda ^{de 136} Xe y ¹³⁴ Xe
  • GERDA , un detector de ⁷⁶ Ge
  • KamLAND-Zen , una búsqueda ^{de 136} Xe. Recopilación de datos de 2011. ^[22]
  • Majorana , utilizando ^{detectores de contacto puntuales tipo p 76} Ge de alta pureza. ^[23]
  • XMASS usando líquido Xe
• Experimentos propuestos/futuros:
  • CUPID, desintegración doble beta sin neutrinos de ¹⁰⁰ Mo
  • VELAS, ⁴⁸ Ca en CaF _2, en el Observatorio Kamioka
  • MOON, desarrollando detectores ^{de 100 Mo}
  • AMoRE, cristales de CaMoO _{4 enriquecidos con} ¹⁰⁰ Mo en el laboratorio subterráneo de YangYang ^[24]
  • nEXO, utilizando líquido ¹³⁶ Xe en una cámara de proyección del tiempo ^[25]
  • LEYENDA, Decaimiento doble beta sin neutrinos de ⁷⁶ Ge.
  • LUMINEU, explorando cristales de ZnMoO _{4 enriquecidos con} ¹⁰⁰ Mo en LSM, Francia.
  • A CONTINUACIÓN, un TPC de xenón. NEXT-DEMO se ejecutó y NEXT-100 se ejecutará en 2016.
  • SNO+ , un centelleador líquido, estudiará ¹³⁰ Te
  • SuperNEMO , una actualización de NEMO, estudiará ⁸² Se
  • TIN.TIN, un detector de ¹²⁴ Sn en INO
  • PandaX -III, un experimento con 200 kg a 1000 kg de 136 Xe enriquecido al ^{90 %}
  • DUNE , un TPC lleno de Argón líquido dopado con ¹³⁶ Xe.

Estado

Si bien algunos experimentos han afirmado el descubrimiento de una desintegración doble beta sin neutrinos, las búsquedas modernas no han encontrado evidencia de dicha desintegración.

Controversia Heidelberg-Moscú

Algunos miembros de la colaboración Heidelberg-Moscú afirmaron haber detectado desintegración beta sin neutrinos en ⁷⁶ Ge en 2001. ^[26] Esta afirmación fue criticada por físicos externos ^{[1] [27] [28] [29]} así como por otros miembros de la colaboración. colaboración. ^[30] En 2006, una estimación refinada realizada por los mismos autores indicó que la vida media era 2,3 × 10²⁵  años. ^[31] Esta vida media ha sido excluida con gran confianza en otros experimentos, incluido el de ⁷⁶ Ge realizado por GERDA . ^[32]

Resultados actuales

A partir de 2017, los límites más fuertes de la desintegración doble beta sin neutrinos provienen de GERDA en ⁷⁶ Ge, CUORE en ¹³⁰ Te y EXO-200 y KamLAND-Zen en ¹³⁶ Xe.

Decaimiento beta simultáneo de orden superior

Para números de masa con más de dos isobaras beta estables, se han propuesto la desintegración beta cuádruple y su inversa, la captura de electrones cuádruple, como alternativas a la desintegración beta doble en las isobaras con mayor exceso de energía. Estas desintegraciones son energéticamente posibles en ocho núcleos, aunque se predice que las vidas medias parciales en comparación con la desintegración beta simple o doble serán muy largas; por lo tanto, es poco probable que se observe una desintegración beta cuádruple. Los siete núcleos candidatos para la desintegración beta cuádruple incluyen ⁹⁶ Zr, ¹³⁶ Xe y ¹⁵⁰ Nd capaces de una desintegración beta-menos cuádruple, y ¹²⁴ Xe, ¹³⁰ Ba, ¹⁴⁸ Gd y ¹⁵⁴ Dy capaces de una desintegración beta-plus cuádruple o captura de electrones ( aunque ¹⁴⁸ Gd y ¹⁵⁴ Dy son emisores alfa no primordiales con vidas medias geológicamente cortas). En teoría, la desintegración beta cuádruple puede ser observable experimentalmente en tres de estos núcleos ( ⁹⁶ Zr, ¹³⁶ Xe y ¹⁵⁰ Nd), siendo el candidato más prometedor el ¹⁵⁰ Nd. La desintegración triple beta también es posible para ⁴⁸ Ca, ⁹⁶ Zr y ¹⁵⁰ Nd. ^[33]

Además, un modo de desintegración de este tipo también podría ser sin neutrinos en física más allá del modelo estándar. ^[34] La desintegración beta cuádruple sin neutrinos violaría el número de leptones en 4 unidades, a diferencia de una ruptura del número de leptones de dos unidades en el caso de la desintegración beta doble sin neutrinos. Por lo tanto, no existe un 'teorema de la caja negra' y los neutrinos podrían ser partículas de Dirac permitiendo este tipo de procesos. En particular, si se encuentra una desintegración beta cuádruple sin neutrinos antes de la desintegración beta doble sin neutrinos, entonces la expectativa es que los neutrinos serán partículas de Dirac. ^[35]

Hasta ahora, las búsquedas de desintegración beta triple y cuádruple en ¹⁵⁰ Nd no han tenido éxito. ^[33]

Ver también

• Captura de electrones doble
• desintegración beta
• neutrino
• Radiación de partículas
• Isótopo radiactivo

Referencias

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enlaces externos

• Doble desintegración beta en arxiv.org