Duopa beto-disfalo

En fiziko, duopa beto-disfalo aŭ duopa beta-disfalo estas speco de radioaktiveco en kiu atomkerno eligas du beto-partiklojn en sola procezo.

En duopa-beto-minus-disfalo, du neŭtronoj en la kerno estas konvertitaj en protonojn, du elektronoj kaj du elektronaj antineŭtrinoj estas disradiitaj. En la procezo de la pli kutima unuopa beto-minus-disfalo, la atomkerno disfalas per konvertado de unu neŭtrono en la kerno al protono kaj disradiado de unu elektrono kaj unu elektrona antineŭtrino. Por ke beto-disfalo de ajna speco estu ebla, la fina kerno devas havi pli grandan bindantan energion ol la originala kerno. Por iuj kernoj, ekzemple ⁷⁶Ge, la kerno kun atomnumero je unu pli granda havas pli malgrandan bindantan energion, malebligante beto-disfalon. Tamen, la kerno kun atomnumero je du pli granda, ⁷⁶Se, havas pli grandan bindantan energion, tiel la duopa-beto-disfala procezo estas permesita.

Disfalo povas okazi ne nur en teran staton de la rezultanta atomkerno, sed ankaŭ en ekscititan staton. En ĉi tiu okazo la atomo poste eligas unu aŭ kelkajn gamo-kvantojn aŭ konvertiĝajn elektronojn.

En duopa-beto-plus-disfalo, kiu teorie eblas por iuj kernoj, la procezo okazas kiel konvertiĝo de du protonoj al neŭtronoj, kun eligo de du elektronaj neŭtrinoj kaj absorbo de du orbitaj elektronoj (duopa elektrona kapto aŭ 2ε-disfalo):

(A, Z) + 2e⁻ → (A, Z-2) + 2ν_e

Se la masa diferenco inter la fonto kaj rezulta atomoj estas pli granda ol 1,022 MeV/c² (du elektronaj masoj), ankaŭ la alia varianto de disfalo eblas, kun kapto de unu orbita elektrono kaj eligo de unu pozitrono (εβ⁺-disfalo):

(A, Z) + e⁻ → (A, Z-2) + e⁺ + 2ν_e

Se la masa diferenco estas pli granda ol 2,044 MeV/c² (kvar elektronaj masoj), ankaŭ la eligo de du pozitonoj estas ebla (2β⁺-disfalo):

(A, Z) → (A, Z-2) + 2e⁺ + 2ν_e

Tamen neniu varianto de teorie ebla duopa-beto-plus-disfalo estas jam observita, nur duopa-beto-minus-disfalo estas jam observita.

Izotopoj kapablaj al duopa beta disfalo

Duopa beto disfalo estas la plej malrapida sciata speco de radiaktiveco, kun duoniĝotempoj tipe 10¹⁸ ... 10²⁸ jaroj. Duopa beto disfalo estis observita por nur 10 izotopoj, kaj ĉiu el ilin havas duoniĝotempon pli grandan ol 10¹⁹ jaroj.

Kvankam penoj observi la procezon ekis en al 1948, ĝi ne estis observita en laboratorio ĝis 1986. Geologiaj observadoj de la disfalaj produktoj per trovo de Kr kaj Xe en tre malnovaj mineraloj de Se kaj Te estas sciataj ekde 1950.

Pli ol 60 nature okazantaj izotopoj estas kapablaj al duopa-beto-disfalo. Je nur 10 el ili la disfalo estis observita (tra la du-neŭtrina reĝimo, vidu sube pli detale):

⁴⁸Ca, ⁷⁶Ge, ⁸²Se, ⁹⁶Zr, ¹⁰⁰Mo, ¹¹⁶Cd, ¹²⁸Te, ¹³⁰Te, ¹⁵⁰Nd, ²³⁸U

Multaj izotopoj estas, en teorio, kapablaj al ambaŭ de duopa-beto-disfalo kaj aliaj disfaloj. En plej parto de okazoj, la duopa-beto-disfalo estas tiel malofta ke estas preskaŭ neeble observi ĝin en la fono de la alia radiado. Tamen, la duopa-beto-disfala kurzo de ²³⁸U (kiu kapablas ankaŭ al alfa radiado) estas mezurita kemie per ekzisto de ²³⁸Pu kiu estas produktata de la duopa-beto-disfalo.

Du el la izotopoj, ⁴⁸Ca kaj ⁹⁶Zr, disfalas ankaŭ per unuopa beto-disfalo sed ĉi tiu disfalo estas ege subpremita kaj neniam estis observita.

¹²⁸Te havas duoniĝotempon 7,2×10²⁴ jaroj, kio estas la plej granda sciata duoniĝotempo.

Senneŭtrina duopa-beto-disfalo

Figuro de Feynman de du neŭtronoj disfalantaj al du protonoj. Du elektronoj estas disradiita en ĉi tiu procezo de senneŭtrina duopa-beto-disfalo.

La procezoj priskribitaj pli supre estas ankaŭ sciataj kiel du-neŭtrina duopa-beto-disfalo (mallonge 2νββ aŭ ββ2ν aŭ 2ν2β aŭ 2β2ν), ĉar du neŭtrinoj (aŭ antineŭtrinoj) estas disradiataj. Tamen eblas konsideri eblecon de la senneŭtrina duopa-beto-disfalo (mallonge 0νββ aŭ ββ0ν aŭ 0ν2β aŭ 2β0ν). En la plej simpla teoria konsidero de senneŭtrina duopa-beto-disfalo (luma neŭtrina interŝanĝo), esence la du neŭtrinoj anihilacias unu kun la alia, aŭ ekvivalente, unu nukleono absorbas la neŭtrinon disradiitan per alia nukleono de la kerno.

Por ke senneŭtrina duopa-beto-disfalo estu ebla, bezonatas du kondiĉoj:

• Neŭtrino estas partiklo de Majorana, kio estas ke neŭtrino kaj antineŭtrino estas reale la sama partiklo.
• Ripoza maso de neŭtrino ne estas nulo.

La neŭtrinoj en la figuro pli supre estas virtualaj partikloj. Kun nur la du elektronoj en la fina stato, la tuteca kineta energio de la du elektronoj devus esti proksimume la diferenco de la bindanta energio inter la fonta kaj rezulta kernoj (ankaŭ desalto de la kerno prenas iun parton de la havebla energio, sed nur malhrandan parton ĉar la kerno estas multe pli peza ol la elektronoj). En tre bona proksimumado, la du elektronoj estas disradiataj dorso-al-dorse por konservi movokvanton.

Malsame al la aliaj specoj de beto-disfalo, en senneŭtrina duopa-beto-disfalo la leptona nombro ne konserviĝas sed ŝanĝiĝas je 2. Kvankam la norma modelo de partikla fiziko malpermesas procezojn kun ŝanĝo de la leptona nombro, multaj vastigaĵoj de ĝi permesas ĉi tiajn procezojn.

La disfala kurzo por ĉi tiu procezo estas proksimume

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

kie G estas la du-korpa fazo-spaca faktoro, M estas la nuklea matrica ero, kaj m_ββ estas donitaj per

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

En ĉi tiu lasta esprimo, la m_i estas la neŭtrinaj masoj (de la i-a masa propra stato), kaj la U_ei estas eroj de la matrico de Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS matrico). De ĉi tie la observado de senneŭtrina duopa-beto-disfalo, aldone al konfirmo de la majorana-a naturo de la neŭtrino, devus doni informon pri la absoluta neŭtrina masa skalo (per mezurado de osciladoj de neŭtrino eblas ekscii nur diferencojn inter kvadratoj de masaj propraj statoj de neŭtrino), kaj potenciale ankaŭ pri la neŭtrina masa hierarkio kaj la fazoj de Majorana aperantaj en la PMNS matrico.

Eksperimentoj

Multaj eksperimentoj estas farataj por serĉi por senneŭtrina duopa-beto-disfalo.

Neniu senneŭtrina duopa-beto-disfalo estas jam observita, krom tio ke subgrupo de la Hajdelbergo-Moskva kunlaboro gvidata de H. V. Klapdor-Kleingrothaus publikigis serion de paperoj pretendantaj al observo de senneŭtrina duopa-beto-disfalo de ⁷⁶Ge kun statistika signifeco pli granda ol 99,9999998%. Ĉi tiu pretendo estas kritikita per multaj en la nuklea kaj partikla fizika komunumoj, sed la grupo forte defendas sian laboron. Ilia mezurita valoro de m_ββ inter ≈0,2...≈0,5 eV (depende de la elekto de nuklea matrica ero) devas ankoraŭ esti konfirmita per aliaj eksperimentoj.

La malsukcesaj observadoj de senneŭtrina duopa-beto-disfalo donas subajn limigojn de duoniĝotempoj per senneŭtrinaj duopa-beto-disfaloj de diversaj atomkernoj je 10²⁵ jaroj. Ĉi tio respektivas al supra limigo de maso de Majorana neŭtrino je 0,4 eV. Krome, limigoj de probablo de senneŭtrina duopa-beto-disfalo donas limigojn al la aliaj supre menciitaj konstantoj.

Iuj lastatempaj kaj proponitaj estontaj eksperimentoj por serĉi por senneŭtrina duopa-beto-disfalo estas:

• Plenumitaj eksperimentoj:
  • Gotthard TPC Arkivigite je 2006-11-05 per la retarkivo Wayback Machine
  • Hajdelbergo-Moskvo
  • IGEX Arkivigite je 2012-11-30 per la retarkivo Wayback Machine
  • NEMO1 kaj 2

• Aktualaj kaj proponitaj eksperimentoj
  • COBRA Arkivigite je 2009-05-15 per la retarkivo Wayback Machine
  • CUORICINO Arkivigite je 2009-02-06 per la retarkivo Wayback Machine kaj CUORE Arkivigite je 2010-09-05 per la retarkivo Wayback Machine
  • EXO
  • GERDA
  • MAJORANA
  • MOON Arkivigite je 2012-02-11 per la retarkivo Wayback Machine
  • NEMO3 kaj SuperNEMO
  • SNO+

Vidu ankaŭ

• Duopa elektrona kapto
• Beto-disfalo
• Neŭtrino

Eksteraj ligiloj

• Duopa beto-disfalo en arxiv.org
• Adoptitaj datumoj pri duopa beta disfalo

Pri laboro de H. V. Klapdor-Kleingrothaus kaj aliaj

Jen estas listo laŭtempe de la ĉefaj tekstoj pli la laboro kaj kritiko de ĝi.

• H. V. Klapdor-Kleingrothaus kaj aliaj, "Indikaĵo por senneŭtrina duopa beta disfalo", Mod. Phys. Lett. 16 (2001) p. 2409, [1] Ĉi tiu estas la originala papero, pretendanta 2-3σ observado (dependanta sur la statistika maniero uzata por mezuri la signifeco).
• C. E. Aalseth kaj aliaj, "Komento al 'Indikaĵo por senneŭtrina duopa beta disfalo'", Mod. Phys. Lett. 17 (2002) p. 1475, [2]
• H. V. Klapdor-Kleingrothaus, "Respondo al komento de artikolo 'senneŭtrina duopa beta disfalo'" (2002) (ne recenzita).
• H. L. Harney, "Respondo al la Komento al 'Indikaĵo por senneŭtrina duopa beta disfalo'" (2002) (ne recenzita).
• H. V. Klapdor-Kleingrothaus kaj aliaj, "senneŭtrina duopa beta disfalo: statuso de indikaĵo", Found. Phys. 32 (2002) 1181, [3]
• H. V. Klapdor-Kleingrothaus kaj aliaj, "Serĉi por senneŭtrina duopa beto-disfalo kun riĉigita ⁷⁶Ge en Gran Sasso 1990–2003", Phys. Lett. B 586 (2004) p. 198. Statistika signifeco pligrandiĝas al >4σ.
• H. V. Klapdor-Kleingrothaus kaj I. V. Krivosheina, "La indikaĵo de la observado de 0νββ disfalo: la identigo de 0νββ eventoj el la plenaj spektroj", Mod. Phys. Lett. 21 (2006) p. 1547. Statistika signifeco pligrandiĝas al >6σ.