Çift beta bozunması

Nükleer fizikte, çift beta bozunması, iki nötronun aynı anda iki protona veya tersi, bir atom çekirdeği içine dönüştürüldüğü bir tür radyoaktif bozunmadır. Tek beta bozunumunda olduğu gibi, bu işlem atomun proton ve nötronların optimal oranına yaklaşmasına izin verir. Bu dönüşümün bir sonucu olarak çekirdek, elektronlar veya pozitronlar olmak üzere iki tespit edilebilir beta parçacığı yayar.

Literatür iki tip çift beta bozunma arasında ayrım yapar: sıradan çift beta bozunma ve nötrinosuz çift beta bozunma. Birkaç izotopta gözlemlenen sıradan çift beta bozunumunda, bozunan çekirdekten iki elektron ve iki elektron antineutrino yayılır. Nötrinosuz çift beta bozunumunda, daha önce hiç gözlemlenmemiş bir varsayım süreci, sadece elektronlar yayılacaktır.

Tarihçe

Çift beta bozunması fikri ilk olarak 1935'te Maria Goeppert-Mayer tarafından önerildi. 1937'de Ettore Majorana, nötrino şu anda Majorana parçacığı olarak bilinen kendi antipartikülü ise, beta bozunma teorisinin tüm sonuçlarının değişmeden kaldığını gösterdi. 1939'da Wendell H. Furry, nötrinoların Majorana parçacıkları olması durumunda, şimdi nötrinosuz çift beta bozunma olarak adlandırılan süreç yoluyla çift beta bozunumunun herhangi bir nötrino emisyonu olmadan devam edebileceğini önerdi. Nötrino'nun bir Majorana parçacığı olup olmadığı ve buna bağlı olarak nötrinosuz çift beta'nun doğada olup olmadığı henüz bilinmemektedir.

1930-40'larda zayıf etkileşimlerde parite ihlali bilinmiyordu ve sonuç olarak hesaplamalar, nötrinoların Majorana parçacıkları olması durumunda nötrinosuz çift beta bozunumunun normal çift beta bozunumundan çok daha fazla olması gerektiğini gösterdi. Öngörülen yarı ömürler 10^15–16 yıl düzeyindeydi. Laboratuardaki süreci gözlemleme çabaları, Edward L. Fireman'ın bir Geiger sayacıyla ¹²⁴Sn izotopunun yarı ömrünü doğrudan ölçmek için ilk girişimde bulunduğu en az 1948 yılına kadar uzanmaktadır. 1960'a kadar yapılan radyometrik deneyler, daha sonraki deneylerle doğrulanmayan negatif sonuçlar veya yanlış pozitifler üretti. 1950 yılında, ilk kez ¹³⁰Te'nin çift beta bozunma yarılanma ömrü, jeokimyasal yöntemlerle 1.4×10²¹ yıl olarak, modern değere makul ölçüde yakın olarak ölçülmüştür. Bu, bozunma tarafından üretilen ksenonun minerallerindeki konsantrasyonunun tespit edilmesini içeriyordu.

1956'da zayıf etkileşimlerin V-A doğası belirlendikten sonra, nötrinosuz çift beta bozunumunun yarı ömrünün, normal çift beta bozunumunun önemli ölçüde aşacağı anlaşıldı. 1960-70'lerde deneysel tekniklerde önemli ilerlemelere rağmen, 1980'lere kadar bir laboratuvarda çift beta bozunması gözlenmedi. Deneyler sadece yarılanma ömrü için alt sınırı belirleyebildi - yaklaşık 10²¹ yıl. Aynı zamanda, jeokimyasal deneyler ⁸²Se ve ¹²⁸Te'nin çift beta bozunumunu tespit etti

Çift beta bozunumu ilk olarak 1987'de ⁸²Se'de UC Irvine'de Michael Moe grubu tarafından bir laboratuvarda gözlemlenmiştir. O zamandan beri, birçok deney diğer izotoplarda normal çift beta bozunumunu gözlemledi. Bu deneylerin hiçbiri, yarılanma ömrü alt sınırını yaklaşık 10²⁵ yıla yükselterek nötrinosyonsuz süreç için olumlu sonuçlar üretmemiştir. Jeokimyasal deneyler 1990'lara kadar devam ederek birkaç izotop için olumlu sonuçlar üretti. Çift beta bozunma en nadir bilinen radyoaktif bozunma türüdür; 2019 itibariyle sadece 14 izotopta gözlemlenmiştir (2001'de gözlenen ¹³⁰Ba'da çift elektron yakalaması dahil, ⁷⁸Kr 2013'te ve ¹²⁴Xe 2019'da gözlemlenmiştir) ve hepsinin ortalama ömrü 10¹⁸ yıl (ortalama aşağıdaki tablo) üzerindedir.

Sıradan çift beta bozunması

Tipik bir çift beta bozunumunda, çekirdekteki iki nötron protonlara dönüştürülür ve iki elektron ve iki elektron antinötrino yayılır. Süreç iki eşzamanlı beta eksi bozunma olarak düşünülebilir. (Çift) beta bozunumunun mümkün olabilmesi için, son çekirdeğin orijinal çekirdeğe göre daha büyük bir bağlanma enerjisi olmalıdır. Germanyum-76 gibi bazı çekirdekler için, daha yüksek olan izobar bir atom numarası (arsenik-76) daha küçük bir bağlama enerjisine sahiptir, bu da tek beta bozunmasını önler. Bununla birlikte, atom numarası iki daha yüksek olan selenyum-76'ya sahip izobar daha büyük bir bağlama enerjisine sahiptir, bu nedenle çift beta bozunmasına izin verilir.

İki elektronun emisyon spektrumu, Fermi'nin Altın Kuralı kullanılarak beta emisyon spektrumuna benzer şekilde hesaplanabilir. Fark oranı

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

burada alt simgeler her elektrona atıfta bulunur, T kinetik enerjidir, w toplam enerjidir, F (Z, T) Z ile Fermi Fonksiyonudur, nihai durum çekirdeğinin yükü, p momentumdur, v c birimindeki hızdır , cosθ elektronlar arasındaki açıdır ve Q Bozunma Q değeridir.

Bazı çekirdeklerde, işlem iki protonun nötronlara dönüştürülmesi, iki elektron nötrino yayan ve iki orbital elektronun emilmesi (çift elektron yakalama) olarak gerçekleşir. Ana ve bağ atomlar arasındaki kütle farkı 1.022 MeV/c2'den (iki elektron kütlesi) fazla ise, başka bir bozunma erişilebilir, bir yörünge elektronunun yakalanması ve bir pozitron emisyonu. Kütle farkı 2.044 MeV /c2'den (dört elektron kütlesi) fazla olduğunda, iki pozitronun emisyonu mümkündür. Bu teorik bozunma dalları gözlemlenmemiştir.

Bilinen çift beta bozunma izotopları

Çift beta bozunması yapabilen, doğal olarak oluşan 35 izotop vardır. Uygulamada, tek beta bozunması enerji tasarrufu tarafından yasaklandığında bozunma gözlemlenebilir. Bu, çiftli birleştirme nedeniyle daha kararlı olan çift atom numarasına ve hatta nötron numarasına sahip elemanlar için olur. Tek beta bozunma veya alfa bozunma da meydana geldiğinde, çift beta bozunma hızı genellikle gözlemlenemeyecek kadar düşüktür. Ancak, ²³⁸U'nun çift beta bozulması (ayrıca bir alfa yayıcı) radyokimyasal olarak ölçülmüştür. Çift beta bozunmasının gözlendiği diğer iki nüklid, ⁴⁸Ca ve ⁹⁶Zr de teorik olarak tek beta bozunması olabilir, ancak bu bozunma aşırı derecede bastırılır ve hiç gözlemlenmemiştir.

İki nötrino çift beta bozunması (β – β–) veya çift elektron yakalanması (εε) altında 14 izotop deneysel olarak gözlemlenmiştir. Aşağıdaki tablo, ¹²⁴Xe (ilk kez 2019'da çift elektron yakalaması gözlemlenmiştir) hariç, Aralık 2016 itibariyle en son deneysel olarak ölçülen yarı ömürlere sahip nüklitleri içerir. İki belirsizlik belirtildiğinde, birincisi istatistiksel belirsizlik, ikincisi sistematiktir.

Nüklidin	Half-life, 1021 yıl	Mode	Geçiş	Yöntem	Deney
48 Ca	0.064+0.007 −0.006 ± +0.012 −0.009	β–β–		direkt	NEMO-3
76 Ge	1.926 ±0.094	β–β–		direkt	GERDA
78 Kr	9.2 +5.5 −2.6 ±1.3	εε		direkt	BAKSAN
82 Se	0.096 ± 0.003 ± 0.010	β–β–		direkt	NEMO-3
96 Zr	0.0235 ± 0.0014 ± 0.0016	β–β–		direkt	NEMO-3
100 Mo	0.00693 ± 0.00004	β–β–		direkt	NEMO-3
	0.69+0.10 −0.08 ± 0.07	β–β–	0+→ 0+1		Ge coincidence
116 Cd	0.028 ± 0.001 ± 0.003 0.026+0.009 −0.005	β–β–		direkt	NEMO-3 ELEGANT IV
128 Te	7200 ± 400 1800 ± 700	β–β–		jeokimyasal
130 Te	0.82 ± 0.02 ± 0.06	β–β–		direkt	CUORE-0
124 Xe	18 ± 5 ± 1	εε		direkt	XENON1T
136 Xe	2.165 ± 0.016 ± 0.059	β–β–		direkt	EXO-200
130 Ba	(0.5 – 2.7)	εε		geochemical
150 Nd	0.00911+0.00025 −0.00022 ± 0.00063	β–β–		direct	NEMO-3
	0.107+0.046 −0.026	β–β–	0+→ 0+1		Ge coincidence
238 U	2.0 ± 0.6	β–β–		radiochemical

Önemli ölçüde daha büyük deneysel zorluklar sergileyen izotoplarda çift beta bozunma arayışları devam etmektedir. Böyle bir izotop, ¹³⁴Xe'ye ek olarak azalması beklenen ¹³⁴Xe'dir.

A ≤ 260 ile bilinen aşağıdaki nüklidler teorik olarak çift beta bozunması yeteneğine sahiptir, burada kırmızı deneysel olarak ölçülen ve siyahın henüz deneysel olarak ölçülmeyen bir çift beta oranına sahip izotoplardır:⁴⁶Ca, ⁴⁸Ca, ⁷⁰Zn, ⁷⁶Ge, ⁸⁰Se, ⁸²Se, ⁸⁶Kr, ⁹⁴Zr, ⁹⁶Zr, ⁹⁸Mo, ¹⁰⁰Mo, ¹⁰⁴Ru, ¹¹⁰Pd, ¹¹⁴Cd, ¹¹⁶Cd, ¹²²Sn, ¹²⁴Sn, ¹²⁸Te, ¹³⁰Te, ¹³⁴Xe, ¹³⁶Xe, ¹⁴²Ce, ¹⁴⁶Nd, ¹⁴⁸Nd, ¹⁵⁰Nd, ¹⁵⁴Sm, ¹⁶⁰Gd, ¹⁷⁰Er, ¹⁷⁶Yb, ¹⁸⁶W, ¹⁹²Os, ¹⁹⁸Pt, ²⁰⁴Hg, ²¹⁶Po, ²²⁰Rn, ²²²Rn, ²²⁶Ra, ²³²Th, ²³⁸U, ²⁴⁴Pu, ²⁴⁸Cm, ²⁵⁴Cf, ²⁵⁶Cf, and ²⁶⁰Fm.

A ≤ 260 ile aşağıdaki bilinen nüklitler teorik olarak çift elektron yakalama yeteneğine sahiptir, burada kırmızı çift elektron yakalama oranına sahip olan ve siyah henüz deneysel olarak ölçülmemiştir:³⁶Ar, ⁴⁰Ca, ⁵⁰Cr, ⁵⁴Fe, ⁵⁸Ni, ⁶⁴Zn, ⁷⁴Se, ⁷⁸Kr, ⁸⁴Sr, ⁹²Mo, ⁹⁶Ru, ¹⁰²Pd, ¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd, ¹¹²Sn, ¹²⁰Te, ¹²⁴Xe, ¹²⁶Xe, ¹³⁰Ba, ¹³²Ba, ¹³⁶Ce, ¹³⁸Ce, ¹⁴⁴Sm, ¹⁴⁸Gd, ¹⁵⁰Gd, ¹⁵²Gd, ¹⁵⁴Dy, ¹⁵⁶Dy, ¹⁵⁸Dy, ¹⁶²Er, ¹⁶⁴Er, ¹⁶⁸Yb, ¹⁷⁴Hf, ¹⁸⁰W, ¹⁸⁴Os, ¹⁹⁰Pt, ¹⁹⁶Hg, ²¹²Rn, ²¹⁴Rn, ²¹⁸Ra, ²²⁴Th, ²³⁰U, ²³⁶Pu, ²⁴²Cm, ²⁵²Fm, ve ²⁵⁸No.

Nötrinosuz çift beta bozunması

Nötrinosuz çift beta bozunumunun Feynman diyagramı, iki nötron iki protona bozunur. Bu süreçte yayılan tek ürünler, nötrino ve antineutrino aynı parçacıksa (yani Majorana nötrinoları), böylece aynı nötrino çekirdeğe yayılıp absorbe edilebilirse ortaya çıkabilecek iki elektrondur. Geleneksel çift beta bozunumunda, her elektrottan birer tane olmak üzere iki antineutrino, iki elektrona ek olarak çekirdekten yayılır. Nötrinosuz çift beta bozunumunun saptanması, nötrinoların Majorana partikülleri olup olmadığının hassas bir testidir.

Nötrino bir Majorana partikülü ise (yani antineutrino ve nötrino aslında aynı parçacıksa) ve en az bir tip nötrino sıfır olmayan kütleye sahipse (nötrino salınım deneyleri tarafından kurulmuştur), o zaman mümkündür nötrinosuz çift beta bozunması meydana gelir. Nötrinosyonsuz çift beta bozunma, bir lepton sayısı ihlal sürecidir. Hafif nötrino değişimi olarak bilinen en basit teorik tedavide bir nükleon, başka bir nükleon tarafından yayılan nötrinoyu emer. Değiştirilen nötrinolar sanal parçacıklardır.

Nihai durumda sadece iki elektron olduğunda, elektronların toplam kinetik enerjisi yaklaşık olarak başlangıç ve son çekirdeklerin bağlanma enerjisi farkı olacaktır, geri kalanı nükleer geri tepmeyi hesaba katar. Momentumun korunmasından dolayı, elektronlar genellikle arka arkaya yayılır. Bu işlem için bozunma hızı

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

burada G, iki cisim faz-uzay faktörü, M, nükleer matris elementidir ve m_ββ ne, elektron nötrino'nun etkili Majorana kütlesidir. Hafif Majorana nötrino değişimi bağlamında, m_ββ tarafından verilir

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

burada m_i nötrino kütleleri ve U_ei, Pontecorvo – Maki – Nakagawa – Sakata (PMNS) matrisinin öğeleridir. Bu nedenle, Majorana nötrino doğasını doğrulamanın yanı sıra, nötrinosyonsuz çift beta bozunumunu gözlemlemek, mutlak nötrino kütle ölçeği hakkında bilgi verebilir ve PMNS matrisindeki çekirdeksel matris elemanlarını belirleyen nükleusun teorik modelleri ve bozunmanın modelleri yoluyla yorumlamaya tabi olan Majorana aşamaları.

Nötrinosyonsuz çift beta bozunumunun gözlemlenmesi, sürecin nötrino değişiminden kaynaklanıp kaynaklanmadığına bakılmaksızın, en az bir nötrino'nun bir Majorana parçacığı olmasını gerektirecektir.