Двойной бета-распад

Ядерная физика
Атомное ядро · Радиоактивный распад · Ядерная реакция · Термоядерная реакция
Основные термины Атомное ядро · Изотопы · Изобары · Капельная модель ядра · Период полураспада · Массовое число · Составное ядро · Цепная ядерная реакция · Ядерное эффективное сечение
Распад ядер Закон радиоактивного распада · Альфа-распад · Бета-распад · Кластерный распад
Сложный распад Электронный захват · Двойной бета-распад · Двойной электронный захват · Внутренняя конверсия · Изомерный переход
Излучения Ионизирующее излучение · Нейтронный распад · Позитронный распад · Протонный распад · Гамма излучение · Фоторасщепление
Захваты Электронный захват · Нейтронный захват (r-процесс · s-процесс) · Протонный захват (p-процесс · rp-процесс) · Нейтронизация
Деление ядра Спонтанное деление
Нуклеосинтез Первичный нуклеосинтез · Протон-протонный цикл · CNO-цикл · Тройная гелиевая реакция · Гелиевая вспышка · Ядерное горение углерода · Углеродная детонация · Ядерное горение кислорода · Ядерное горение неона · Ядерное горение кремния · Реакции скалывания
См. также: Портал:Физика

Двойной бета-распад, 2β-распад, ββ-распад — общее название нескольких видов радиоактивного распада атомного ядра, которые обусловлены слабым взаимодействием и изменяют заряд ядра на две единицы^[1].

Двойной бета-распад в собственном смысле слова сопровождается увеличением заряда ядра на две единицы и излучением двух электронов:

${\displaystyle (A,Z)\rightarrow (A,Z+2)+2e^{-}+2{\bar {\nu }}_{e}.}$

Другие виды 2β-распада уменьшают заряд ядра на две единицы:

• двойной электронный захват, 2ε-захват

${\displaystyle (A,Z)+2e^{-}\rightarrow (A,Z-2)+2\nu _{e};}$

• электронный захват с эмиссией позитрона, εβ⁺-распад

${\displaystyle (A,Z)+e^{-}\rightarrow (A,Z-2)+e^{+}+2\nu _{e};}$

• двойной позитронный распад, 2β⁺-распад

${\displaystyle (A,Z)\rightarrow (A,Z-2)+2e^{+}+2\nu _{e}.}$

Двойной бета-распад — самый редкий из всех процессов радиоактивного распада. Все 14 нуклидов, для которых этот процесс достоверно наблюдался, имеют период полураспада больше чем 7×10¹⁸ лет^[2], а у ¹²⁸Te период полураспада составляет (3,5±2,0)⋅10²⁴ лет^[3], что на сегодня является абсолютным рекордом среди всех радиоактивных нуклидов. Подтверждённые наблюдения относятся только к 2β-распаду с увеличением заряда ядра, за исключением бария-130, испытывающего, вероятно, двойной электронный захват (период полураспада (2,2±0,5)⋅10²¹ лет, измерен в геохимическом эксперименте по накоплению продукта распада, ксенона-130, в кристаллической решётке древнего минерала, содержащего барий)^[3], криптона-78^[4] и ксенона-124^[5].

Распад может осуществляться не только на основное состояние дочернего ядра, но и на возбуждённые состояния. В этом случае излучается также один или несколько гамма-квантов и/или конверсионных электронов.

Безнейтринный двойной бета-распад

В отличие от приведённых выше реакций (относящихся к двухнейтринному 2ν2β-распаду), безнейтринный 0ν2β-распад не сопровождается эмиссией нейтрино или антинейтрино. В результате такого процесса лептонное число не сохраняется (изменяется на две единицы). Хотя Стандартная Модель физики элементарных частиц запрещает процессы с нарушением закона сохранения лептонного числа, многие расширения СМ включают в себя процессы такого рода. Доказано, что для осуществления безнейтринного 2β-распада необходимо, чтобы нейтрино

• являлось майорановской частицей (то есть представляло собой собственную античастицу), и
• обладало массой.

Благодаря этому обстоятельству, 0ν2β-распад является чувствительным индикатором майорановской массы нейтрино. В настоящее время не существует достоверных наблюдений безнейтринных 2β-процессов, однако нижние ограничения на период полураспада по этому каналу для разных ядер достигают ${\displaystyle 4,6\times 10^{24}}$ лет. Это соответствует верхнему ограничению на майорановскую массу нейтрино порядка нескольких сотен миллиэлектронвольт^[6]. Кроме того, ограничения на вероятность безнейтринного 2β-распада позволяют установить ограничения на другие параметры теории, например на константы связи правых лептонных и кварковых токов в слабом взаимодействии, константы связи нейтрино с майороном, некоторые параметры суперсимметричных моделей. В настоящее время в мире действует или сооружается около десятка крупных подземных детекторов, предназначенных для поиска безнейтринного двойного бета-распада: GERDA, NEMO-3, Genius, Cuore, Majorana и т. д.

Благодаря исследованиям двойного безнейтринного бета-распада можно определить природу нейтрино (дираковская это частица или майорановская) и иерархию масс нейтрино (прямая или инвертированная).

См. также

• Двойной электронный захват

Примечания

1. Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М., Просвещение, 1984. - С. 203
2. Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.
3. List of Adopted Double Beta (ββ) Decay Values. Архивная копия от 12 октября 2008 на Wayback Machine National Nuclear Data Center. Brookhaven National Laboratory, 2010. Brookhaven National Laboratory Report BNL-91299-2010 Архивная копия от 5 марта 2022 на Wayback Machine.
4. Patrignani, C. et al. Review of Particle Physics (неопр.) // Chinese Physics C^[англ.]. — 2016. — Т. 40, № 10. — С. 100001. — doi:10.1088/1674-1137/40/10/100001., p. 768.
5. Aprile, E. et al. Observation of two-neutrino double electron capture in ¹²⁴Xe with XENON1T (англ.) // Nature : journal. — 2019. — Vol. 568. — P. 532—535. — doi:10.1038/s41586-019-1124-4.
6. Azzolini O. et al. Final Result on the Neutrinoless Double Beta Decay of ⁸²Se with CUPID-0 (англ.) // Physical Review Letters. — 2022. — Vol. 129, no. 11. — P. 111801. — ISSN 0031-9007. — doi:10.1103/PhysRevLett.129.111801. [исправить]

Литература

• Двойной бета-распад / Под ред. Б. С. Ишханова. — М.: КДУ, 2016. — 204 с. — ISBN 978-5-913046-17-8.
• Барабаш А. С. Обзор современных экспериментов по двойному бета-распаду // Ядерная физика. - 2007. - Т. 70. № 7. - С. 1230-1241.
• Али А., Борисов А. В., Журидов Д. В. Угловое распределение электронов в безнейтринном двойном бета-распаде и новая физика // Ядерная физика. - 2007. - Т. 70. № 7. - С. 1305-1310.
• Reyco Henning. Current status of neutrinoless double-beta decay searches (англ.) // Reviews in Physics. — 2016. — Vol. 1. — P. 29–35. — doi:10.1016/j.revip.2016.03.001.