Doble desintegración beta
Tipo de desintegración radiactiva
Física nuclear
Modelos del núcleo
Clasificación de los nucleidos
  • Isómeros : son iguales a todos los anteriores.
Estabilidad nuclear
Desintegración radiactiva
Fisión nuclear
Captura de procesos
Procesos de alta energía
Nucleosíntesis y
astrofísica nuclear
Física nuclear de alta energía
Científicos

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, dentro de un núcleo atómico . Al igual que 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 beta doble: la desintegración beta doble ordinaria y la desintegración beta doble sin neutrinos . En la desintegración beta doble ordinaria, que se ha observado en varios isótopos, se emiten dos electrones y dos antineutrinos electrónicos desde el núcleo en desintegración. En la desintegración beta doble 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 permanecen inalterados si el neutrino fuera su propia antipartícula, ahora conocida como partícula de Majorana . [3] En 1939, Wendell H. Furry propuso que si los neutrinos son partículas de Majorana, entonces la desintegración beta doble puede proceder 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 ello, si la desintegración beta doble sin neutrinos existe en la naturaleza. [5]

Como la violación de la paridad en las interacciones débiles no se descubriría hasta 1956, los cálculos anteriores mostraban que la desintegración doble beta sin neutrinos debería tener muchas más probabilidades de ocurrir que la desintegración doble beta ordinaria, si los neutrinos fueran partículas de Majorana. Las vidas medias predichas eran del orden de 1015 ~1016  años. [5] Los esfuerzos por observar el proceso en el 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 hasta 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 desintegración beta doble de130
Te
Se midió mediante métodos geoquímicos y resultó ser 1,4×1021  años, [7] razonablemente cerca del valor actual. Esto implicó detectar la concentración en minerales del xenón producido por la desintegración.

En 1956, después de que se estableciera la naturaleza V − A de las interacciones débiles , se hizo evidente que la vida media de la desintegración doble beta sin neutrinos superaría significativamente la de la desintegración doble beta ordinaria. A pesar de los avances significativos en las técnicas experimentales en los años 1960-1970, la desintegración doble beta no se observó en un laboratorio hasta los años 1980. Los experimentos solo habían podido establecer el límite inferior de la vida media, aproximadamente 1021  años. Al mismo tiempo, los experimentos geoquímicos detectaron la doble desintegración beta de82
Sí
y128
Te
. [5]

La desintegración doble beta fue observada por primera vez en un laboratorio en 1987 por el grupo de Michael Moe en la UC Irvine en82
Sí
. [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, produciendo resultados positivos para varios isótopos. [5] La desintegración beta doble es el tipo de desintegración radiactiva más raro conocido; hasta 2019 se ha observado en solo 14 isótopos (incluida la captura de electrones doble en130
Licenciado en Letras
observado en 2001,78
Kr
observado en 2013, y124
Xe
observado en 2019), y todos tienen una vida media de más de 1018  años (tabla siguiente). [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 desintegración beta (doble), el núcleo final debe tener una energía de enlace mayor que el núcleo original. En algunos núcleos, como el germanio-76 , la isobara con un número atómico superior ( arsénico-76 ) tiene una energía de enlace menor, lo que impide la desintegración beta simple. Sin embargo, la isobara con un número atómico superior en dos, el selenio-76 , tiene una energía de enlace mayor, por lo que se permite la desintegración beta doble.

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 se da por

d N ( T 1 , T 2 , cos ⁡ θ ) d T 1 d T 2 d cos ⁡ θ = 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 ⁡ θ ) {\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 del estado final, p es momento, v es velocidad en unidades de c , es el ángulo entre los electrones y Q es el valor Q de la desintegración. cos ⁡ θ {\displaystyle \cos \theta }

En algunos núcleos, el proceso se produce como 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 (masas de dos 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 (masas de cuatro electrones), es posible la emisión de dos positrones. Estas ramas teóricas de desintegración no se han observado.

Isótopos conocidos de doble desintegración beta

Existen 35 isótopos naturales capaces de desintegrarse en doble beta. [9] En la práctica, la desintegración se puede observar cuando la desintegración beta simple está prohibida por la conservación de la energía. 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 la desintegración beta simple o la desintegración alfa, la tasa de desintegración en doble beta es generalmente demasiado baja para observarse. Sin embargo, la desintegración en doble beta de238
tú
(también un emisor alfa) se ha medido radioquímicamente. Otros dos nucleidos en los que se ha observado la doble desintegración beta,48
California
y96
Zr
, también puede teóricamente desintegrarse en beta simple, pero esta desintegración está extremadamente suprimida y nunca se ha observado. Una supresión similar de la desintegración beta simple, energéticamente apenas posible, ocurre para 148 Gd y 222 Rn, [10] pero ambos nucleidos son emisores alfa de vida más bien corta.

Se han observado experimentalmente catorce isótopos que experimentan desintegración beta doble de dos neutrinos (β – β – ) o captura doble de electrones (εε). [11] La siguiente tabla contiene los nucleidos con las últimas vidas medias medidas experimentalmente, a diciembre de 2016, excepto para 124 Xe (para el cual se observó por primera vez captura doble de electrones en 2019). Cuando se especifican dos incertidumbres, la primera es la incertidumbre estadística y la segunda es la sistemática.

NuclidoVida media, 10 21 añosModoTransiciónMétodoExperimento
48
California
0,064+0,007
−0,006±+0,012
−0,009		β - β-​directoNEMO-3 [12]
76
En
1,926 ± 0,094β - β-​directoGERDA [11]
78
Kr
9.2+5,5
-2,6± 1,3		esodirectoBAKSÁN [11]
82
Sí
0,096 ± 0,003 ± 0,010β - β-​directoNEMO-3 [11]
96
Zr
0,0235 ± 0,0014 ± 0,0016β - β-​directoNEMO-3 [11]
100
Mes
0,00693 ± 0,00004β - β-​directoNEMO-3 [11]
0,69+0,10
−0,08± 0,07		β - β-​0 + → 0 + 1Ge coincidencia [11]
116
Cd
0,028 ± 0,001 ± 0,003
0,026+0,009
−0,005		β - β-​directoNEMO-3 [11]
ELEGANTE IV [11]
128
Te
7200 ± 400
1800 ± 700		β - β-​geoquímico[11]
130
Te
0,82 ± 0,02 ± 0,06β - β-​directoCUORE-0 [13]
124
Xe
18 ± 5 ± 1esodirectoXENON1T [14]
136
Xe
2,165 ± 0,016 ± 0,059β - β-​directoEXO-200 [11]
130
Licenciado en Letras
(0,5 – 2,7)esogeoquímico[15] [16]
150
Dakota del Norte
0,00911+0,00025
−0,00022± 0,00063		β - β-​directoNEMO-3 [11]
0,107+0,046
−0,026		β - β-​0 + → 0 + 1Ge coincidencia [11]
238
tú
2,0 ± 0,6β - β-​radioquímico[11]

Actualmente se están realizando búsquedas de isótopos de doble desintegración beta que presentan desafíos experimentales significativamente mayores. Uno de esos isótopos es 134
Xe
. [17]

Los siguientes nucleidos beta-estables conocidos (o casi beta-estables en los casos 48 Ca, 96 Zr y 222 Rn [10] ) [18] con A ≤ 260 son teóricamente capaces de una desintegración beta doble, donde los rojos son isótopos que tienen una tasa de doble beta medida experimentalmente y los negros aún deben medirse 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 Pd, 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 conocidos (o casi beta-estables en el caso del 148 Gd) con A ≤ 260 son teóricamente capaces de realizar una doble captura de electrones, donde los rojos son isótopos que tienen una tasa de captura de doble electrón medida y los negros aún no se han 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, el 36Ar es el nucleido observacionalmente estable más ligero cuya desintegración es energéticamente posible.

Desintegración beta doble sin neutrinos

Diagrama de Feynman de la desintegración beta doble sin neutrinos, en el que dos neutrones se desintegran 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), de modo que el mismo neutrino puede emitirse y absorberse dentro del núcleo. En la desintegración beta doble convencional, se emiten dos antineutrinos (uno que surge de cada vértice W) desde el núcleo, además de los dos electrones. La detección de la desintegración beta doble 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 una masa distinta de cero (lo que se ha establecido mediante los experimentos de oscilación de neutrinos ), entonces es posible que se produzca una desintegración beta doble sin neutrinos. La desintegración beta doble sin neutrinos es un proceso que viola el número leptónico . 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 solo 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 uno tras otro. La tasa de desintegración para este proceso está dada por donde G es el factor de espacio de fase de dos cuerpos, M es el elemento de matriz nuclear y m ββ es la masa efectiva de Majorana del neutrino electrónico. En el contexto del intercambio de neutrinos de Majorana ligeros, m ββ está dada por Γ = G | M | 2 | m β β | 2 , {\displaystyle \Gamma =G|M|^{2}|m_{\beta \beta }|^{2},}

m β β = ∑ i = 1 3 m i U e i 2 , {\displaystyle m_{\beta \beta }=\sum _{i=1}^{3}m_{i}U_{ei}^{2},}

donde m i son las masas de los neutrinos y U ei son los elementos de la matriz de Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS) . Por lo tanto, la observación de la desintegración doble beta sin neutrinos, además de confirmar la naturaleza de los neutrinos de Majorana, puede dar información sobre la escala absoluta de masas de neutrinos y las fases de Majorana en la matriz de PMNS, sujeta a interpretación a través de modelos teóricos del núcleo, que determinan los elementos de la matriz nuclear, y modelos de la desintegración. [19] [20]

La observación de la desintegración beta doble sin neutrinos requeriría que al menos un neutrino fuera una partícula de Majorana , independientemente de si el proceso se genera por intercambio de neutrinos. [21]

Experimentos

Numerosos experimentos han buscado la desintegración beta doble sin neutrinos. Los experimentos con mejores resultados tienen una masa elevada del isótopo en desintegración y bajos niveles de fondo, y algunos experimentos son capaces de discriminar partículas y rastrear electrones. Para eliminar los niveles de fondo de los rayos cósmicos, la mayoría de los experimentos se encuentran en laboratorios subterráneos de todo el mundo.

Los experimentos recientes y propuestos incluyen:

  • Experimentos completados:
    • TPC de San Gotardo
    • Heidelberg-Moscú, 76 detectores Ge (1997-2001)
    • IGEX, 76 detectores Ge (1999–2002) [22]
    • NEMO , varios isótopos utilizando calorímetros de seguimiento (2003-2011)
    • Cuoricino , 130 Te en cristales de TeO 2 ultrafríos (2003-2008) [23]
  • 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. [23]
    • Majorana , utilizandodetectores de contacto puntual de tipo p de 76 Ge de alta pureza. [24]
    • XMASS usando Xe líquido
  • Experimentos propuestos/futuros:
    • CUPID, desintegración doble beta sin neutrinos de 100 Mo
    • VELAS, 48 Ca en CaF 2, en el Observatorio Kamioka
    • MOON, en desarrollo de 100 detectores de Mo
    • AMoRE, cristales de CaMoO4 enriquecidos con 100 Mo en el laboratorio subterráneo de YangYang [25]
    • nEXO, utilizando 136 Xe líquido en una cámara de proyección de tiempo [26]
    • LEYENDA, Decaimiento doble beta sin neutrinos de 76 Ge.
    • LUMINEU, explorando cristales de ZnMoO4 enriquecidos con 100 Mo en LSM, Francia.
    • NEXT, un Xenon TPC. 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.
    • NuDoubt ++ [27] estudiará las desintegraciones beta dobles plus de 78 Kr en un detector de centelleo líquido híbrido opaco presurizado [28]

Estado

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

La controversia entre Heidelberg y Moscú

Algunos miembros de la colaboración Heidelberg-Moscú afirmaron haber detectado una desintegración beta sin neutrinos en 76 Ge en 2001. [29] Esta afirmación fue criticada por físicos externos [1] [30] [31] [32] así como por otros miembros de la colaboración. [33] En 2006, una estimación refinada por los mismos autores afirmó que la vida media era de 2,3 × 1025  años. [34] Esta vida media ha sido excluida con alta confianza por otros experimentos, incluido el de 76 Ge por GERDA . [35]

Resultados actuales

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

Desintegración beta simultánea de orden superior

Para los números másicos con más de dos isóbaras beta-estables, se han propuesto la desintegración beta cuádruple y su inversa, la captura electrónica cuádruple, como alternativas a la desintegración beta doble en las isóbaras con el mayor exceso de energía. Estas desintegraciones son energéticamente posibles en ocho núcleos, aunque se predice que las semividas parciales en comparación con la desintegración beta simple o doble son muy largas; por lo tanto, es poco probable que se observe la desintegración beta cuádruple. Los siete núcleos candidatos para la desintegración beta cuádruple incluyen 96 Zr, 136 Xe y 150 Nd capaces de desintegración beta cuádruple-menos, y 124 Xe, 130 Ba, 148 Gd y 154 Dy capaces de desintegración beta cuádruple-más o captura electrónica (aunque 148 Gd y 154 Dy son emisores alfa no primordiales con semividas geológicamente cortas). En teoría, la desintegración beta cuádruple puede observarse experimentalmente en tres de estos núcleos ( 96 Zr, 136 Xe y 150 Nd), siendo el candidato más prometedor el 150 Nd. La desintegración beta triple-menos también es posible para 48 Ca, 96 Zr y 150 Nd; [36] la desintegración beta triple-más o captura de electrones también es posible para 148 Gd y 154 Dy.

Además, este modo de desintegración también podría ser sin neutrinos en la física más allá del modelo estándar. [37] La ​​desintegración beta cuádruple sin neutrinos violaría el número leptónico en 4 unidades, a diferencia de una ruptura del número leptónico de dos unidades en el caso de la desintegración beta doble sin neutrinos. Por lo tanto, no existe un "teorema de caja negra" y los neutrinos podrían ser partículas de Dirac al tiempo que se permiten este tipo de procesos. En particular, si la desintegración beta cuádruple sin neutrinos se encuentra antes de la desintegración beta doble sin neutrinos, entonces la expectativa es que los neutrinos serán partículas de Dirac. [38]

Hasta el momento, las búsquedas de desintegración beta triple y cuádruple en 150 Nd no han tenido éxito. [36]

Véase también

Referencias

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  • Doble desintegración beta en arxiv.org
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