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Desintegración beta doble

Diagrama de Feynman de orden principal para la desintegración beta doble ordinaria ( β − β − {\displaystyle \beta ^{-}\beta ^{-}} modo) En física nuclear , la desintegración bet...

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Diagrama de Feynman de orden principal para la desintegración beta doble ordinaria (β−β−{\displaystyle \beta ^{-}\beta ^{-}}modo)

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, observada en varios isótopos, el núcleo en desintegración emite dos electrones y dos antineutrinos electrónicos . 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 es 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 ocurrir sin la emisión de ningún neutrino, a través del proceso ahora llamado desintegración beta doble sin neutrinos . [ 4 ] Aún se desconoce si el neutrino es una partícula de Majorana y, en consecuencia, si la desintegración beta doble sin neutrinos existe en la naturaleza. [ 5 ]

Dado que la violación de la paridad en las interacciones débiles no se descubriría hasta 1956, los cálculos anteriores mostraron que la desintegración beta doble sin neutrinos debería ser mucho más probable que la desintegración beta doble 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 del 124Isótopo de Sn con un contador Geiger . [ 6 ] Los experimentos radiométricos hasta aproximadamente 1960 produjeron resultados negativos o falsos positivos, no confirmados por experimentos posteriores. En 1950, por primera vez se determinó la vida media de la desintegración beta doble del 130El Te se midió mediante métodos geoquímicos y resultó ser 1,4 × 1021  años, [ 7 ] razonablemente cerca del valor moderno. Esto implicó detectar la concentración en minerales del xenón producido por la desintegración.

En 1956, tras establecerse la naturaleza V − A de las interacciones débiles , quedó claro que la vida media de la desintegración beta doble sin neutrinos superaría significativamente la de la desintegración beta doble ordinaria. A pesar del importante progreso en las técnicas experimentales en las décadas de 1960 y 1970, la desintegración beta doble no se observó en un laboratorio hasta la década de 1980. Los experimentos solo habían podido establecer el límite inferior para la vida media: alrededor de 1021  años. Al mismo tiempo, experimentos geoquímicos detectaron la desintegración beta doble del 82Se y 128Te . [ 5 ]

La desintegración beta doble fue observada por primera vez en un laboratorio en 1987 por el grupo de Michael Moe en UC Irvine en 1982.Se . [ 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 había observado en solo 14 isótopos (incluida la captura doble de electrones en 130Ba observado en 2001, 78Kr observado en 2013 y 124Xe 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 menos simultáneas . Para que la desintegración beta (doble) sea posible, el núcleo resultante debe tener una energía de enlace mayor que el núcleo original. Para algunos núcleos, como el germanio-76 , el isóbaro con un número atómico superior ( arsénico-76 ) tiene una energía de enlace menor, lo que impide la desintegración beta simple. Sin embargo, el isóbaro con dos números atómicos superiores, el selenio-76 , tiene una energía de enlace mayor, por lo que la desintegración beta doble es posible.

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 viene dada por

dnorte(T1,T2,porque⁡θ)dT1dT2dporque⁡θ=F(Z,T1)F(Z,T2)w1pag1w2pag2(Q−T1−T2)5(1−v1v2porque⁡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 la energía cinética, w es la energía total, F ( Z , T ) es la función de Fermi con Z la carga del núcleo del estado final, p es el momento, v es la velocidad en unidades de c ,porque⁡θ{\displaystyle \cos \theta }es el ángulo entre los electrones, y Q es el valor Q de la desintegración.

Para algunos núcleos, el proceso ocurre como la conversión de dos protones en neutrones, emitiendo dos neutrinos electrónicos y absorbiendo dos electrones orbitales (doble captura electrónica). Si la diferencia de masa entre el átomo padre y el hijo es mayor que 1,022  MeV/ c² (dos masas electrónicas), es posible otra desintegración: la captura de un electrón orbital y la emisión de un positrón . Cuando la diferencia de masa es mayor que 2,044  MeV/ c² (cuatro masas electrónicas), es posible la emisión de dos positrones. Estas ramas de desintegración teóricas no se han observado.

Isótopos conocidos de desintegración beta doble

Existen 35 isótopos naturales capaces de desintegración beta doble. [ 9 ] En la práctica, la desintegración se puede observar cuando la desintegración beta simple está prohibida por la conservación de la energía. Esto ocurre con elementos con número atómico par y 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 beta doble suele ser demasiado baja para observarla. Sin embargo, la desintegración beta doble del 238El U (también emisor alfa) se ha medido radioquímicamente. Otros dos nucleidos en los que se ha observado desintegración beta doble, 48Ca y 96El Zr también puede teóricamente desintegrarse en una sola beta, pero esta desintegración está extremadamente suprimida: nunca se ha observado para el 48 Ca, y aunque se ha observado para el 96 Zr, su vida media es aproximadamente un orden de magnitud mayor que la vida media de la desintegración doble beta para este nucleido. [ 10 ] Una supresión similar de la desintegración en una sola beta energéticamente apenas posible ocurre para el 148 Gd y el 222 Rn, [ 11 ] pero ambos nucleidos son emisores alfa de vida bastante corta.

Se han observado experimentalmente catorce isótopos que experimentan desintegración beta doble de dos neutrinos (β – β – ) o captura electrónica doble (εε). [ 12 ] La tabla a continuación contiene los nucleidos con las vidas medias medidas experimentalmente más recientes. Cuando se especifican dos incertidumbres, la primera es la incertidumbre estadística y la segunda es la sistemática.

Se están llevando a cabo búsquedas de desintegración beta doble en isótopos que presentan desafíos experimentales significativamente mayores. Uno de estos isótopos es el 134.Xe . [ 18 ]

Los siguientes nucleidos beta-estables conocidos (o casi beta-estables en los casos de 48 Ca, 96 Zr y 222 Rn [ 11 ] ) [ 19 ] con A ≤ 260 son teóricamente capaces de desintegración beta doble, donde el rojo son isótopos que tienen una tasa de beta doble medida 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 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 captura de doble electrón, donde en rojo se encuentran los isótopos que tienen una tasa de captura de doble electrón medida y en negro 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 estable observacional más ligero cuya desintegración es energéticamente posible.

Desintegración beta doble sin neutrinos

Diagrama de Feynman de la desintegración beta doble sin neutrinos, donde dos neutrones se desintegran en dos protones. Los únicos productos emitidos en este proceso son dos electrones, lo cual puede ocurrir si el neutrino y el antineutrino son la misma partícula (es decir, neutrinos de Majorana), de modo que el mismo neutrino puede ser emitido y absorbido dentro del núcleo. En la desintegración beta doble convencional, se emiten dos antineutrinos —uno proveniente de cada vértice W— desde el núcleo, además de los dos electrones. Por lo tanto, la detección de la desintegración beta doble sin neutrinos es 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 (lo cual ha sido establecido por los experimentos de oscilación de neutrinos ), entonces es posible que ocurra la 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 explicaría el resto. Debido a la conservación del momento , los electrones generalmente se emiten espalda con espalda. La tasa de desintegración para este proceso viene dada por Γ=GRAMO|METRO|2|metroββ|2,{\displaystyle \Gamma =G|M|^{2}|m_{\beta \beta }|^{2},} donde G es el factor del espacio de fases 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 viene dado por

metroββ=∑i=13metroiUmii2,{\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 beta doble sin neutrinos, además de confirmar la naturaleza de los neutrinos de Majorana, puede proporcionar información sobre la escala de masa absoluta de los 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 la desintegración. [ 20 ] [ 21 ]

La observación de la desintegración beta doble sin neutrinos requeriría que al menos un neutrino sea una partícula de Majorana , independientemente de si el proceso se genera por intercambio de neutrinos. [ 22 ]

Experimentos

Numerosos experimentos han buscado la desintegración beta doble sin neutrinos. Los experimentos con mejor rendimiento se caracterizan por una alta masa del isótopo que se desintegra y bajos niveles de ruido de fondo, y algunos incluso permiten la discriminación de partículas y el seguimiento de electrones. Para eliminar el ruido de fondo de los rayos cósmicos, la mayoría de los experimentos se ubican en laboratorios subterráneos alrededor del mundo.

Entre los experimentos recientes y propuestos se incluyen:

  • Experimentos completados:
    • Gotthard TPC
    • Heidelberg-Moscú, 76 detectores de germanio (1997-2001)
    • IGEX, 76 detectores de Ge (1999–2002) [ 23 ]
    • NEMO , diversos isótopos mediante calorímetros de seguimiento (2003-2011)
    • Cuoricino , 130 Te en cristales de TeO 2 ultrafríos (2003-2008) [ 24 ]
  • Experimentos que recopilan datos hasta noviembre de 2017:
    • AMoRE, cristales de CaMoO 4 enriquecidos con 100 Mo en el laboratorio subterráneo de YangYang [ 25 ] [ 26 ]
    • 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. [ 24 ]
    • Majorana , utilizandodetectores de contacto puntual de tipo p de 76 Ge de alta pureza. [ 27 ]
    • Navidad con xenón líquido
  • Experimentos propuestos/futuros:
    • CUPID, desintegración beta doble sin neutrinos del 100 Mo
    • VELAS, 48 Ca en CaF 2, en el Observatorio Kamioka
    • MOON, desarrollando 100 detectores de molibdeno.
    • nEXO, utilizando 136 Xe líquido en una cámara de proyección de tiempo [ 28 ]
    • LEYENDA, Desintegración beta doble sin neutrinos del 76 Ge.
    • LUMINEU explora cristales de ZnMoO₄ enriquecidos con 100 Mo en el LSM, Francia.
    • NEXT, un TPC Xenon. 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 , una cámara termográfica rellena de argón líquido dopado con 136Xe .
    • NuDoubt ++ [ 29 ] estudiará las desintegraciones dobles beta plus del 78 Kr en un detector de centelleo líquido híbrido opaco presurizado [ 30 ].

Estado

Si bien algunos experimentos han afirmado haber descubierto la desintegración beta doble sin neutrinos, las búsquedas modernas no han encontrado ninguna evidencia de dicha desintegración.

Controversia Heidelberg-Moscú

Algunos miembros de la colaboración Heidelberg-Moscú afirmaron haber detectado la desintegración beta sin neutrinos en 76 Ge en 2001. [ 31 ] Esta afirmación fue criticada por físicos externos [ 1 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] así como por otros miembros de la colaboración. [ 35 ] En 2006, una estimación más precisa realizada por los mismos autores indicó que la vida media era de 2,3 × 1025  años. [ 36 ] Esta vida media ha sido descartada con alta confianza por otros experimentos, incluyendo en 76 Ge por GERDA . [ 37 ]

Resultados actuales

Hasta 2017, los límites más estrictos sobre la desintegración beta doble sin neutrinos provenían de GERDA en 76Ge , CUORE en 130Te y EXO-200 y KamLAND-Zen en 136Xe .

Desintegración beta simultánea de orden superior

Para números de masa con más de dos isóbaros beta estables, se han propuesto la desintegración beta cuádruple y su inversa, la captura electrónica cuádruple, como alternativas a la desintegración beta doble en los isóbaros con el 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 improbable 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 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 beta triple menos también es posible para 48 Ca, 96 Zr y 150 Nd; [ 38 ] la desintegración beta triple más o captura electrónica también es posible para 148 Gd y 154 Dy.

Además, dicho modo de desintegración también podría ser sin neutrinos en física más allá del modelo estándar. [ 39 ] 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 permitir este tipo de procesos. En particular, si se encuentra la desintegración beta cuádruple sin neutrinos antes que la desintegración beta doble sin neutrinos, entonces se espera que los neutrinos sean partículas de Dirac. [ 40 ]

A partir de 2019, las búsquedas de desintegración beta triple y cuádruple en 150 Nd no han tenido éxito. [ 38 ]

Véase también

Referencias

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  • Desintegración beta doble en arxiv.org