Doppelbetazerfall

Der Doppelbetazerfall ist ein außergewöhnlich seltener Kernvorgang, bei dem zwei Neutronen gleichzeitig zu Protonen werden. Er kommt in der Natur vor — und in einer zweiten, nie beobachteten Form könnte er eine der ältesten offenen Fragen der Physik beantworten.

Die gewöhnliche Form

Bei einigen Atomkernen ist der einfache Betazerfall energetisch verboten, der doppelte aber erlaubt. Dann wandeln sich zwei Neutronen zugleich um, und es entstehen zwei Elektronen und zwei Antineutrinos.

Weil zwei Vorgänge gleichzeitig stattfinden müssen, ist das ungeheuer unwahrscheinlich:

Nuklid	Halbwertszeit
Germanium-76	rund 1,9 × 10²¹ Jahre
Xenon-136	rund 2,2 × 10²¹ Jahre
Tellur-130	rund 8 × 10²⁰ Jahre

Das ist hundert Millionen bis hundert Milliarden Mal länger als das Alter des Weltalls. Messbar wird es nur durch die schiere Zahl der Atome: In einem Kilogramm stecken so viele Kerne, dass einige Zerfälle im Jahr auftreten.

Die gesuchte Form

Interessanter ist die Variante ohne Neutrinos. Dabei entstünden nur die beiden Elektronen.

Das ist nur möglich, wenn das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist — ein Majorana-Teilchen im Sinne von Ettore Majorana. Dann könnte das von einem Neutron ausgesandte Antineutrino vom zweiten Neutron sofort als Neutrino wieder aufgenommen werden. Nach außen dringt nichts.

Bei diesem Vorgang wäre die Leptonzahl um zwei verletzt. Damit fiele eine Erhaltungsgröße, die bislang in jedem Experiment gehalten hat.

Wie man ihn erkennen würde

Man misst die Summe der Energien beider Elektronen.

Beim gewöhnlichen Doppelbetazerfall tragen die Neutrinos einen unbestimmten Anteil fort; die Summe ergibt ein breites Spektrum. Ohne Neutrinos müssten die Elektronen die gesamte Energie tragen — das Ergebnis wäre eine scharfe Spitze am oberen Ende.

Gesucht wird also eine schmale Linie über einem breiten Untergrund. Das verlangt hervorragende Energieauflösung und extrem reine Materialien.

Die Wettbewerber

Mehrere Experimente arbeiten mit verschiedenen Nukliden und Techniken — was Absicht ist, denn ein Fund an nur einem Nuklid wäre schwer zu glauben.

GERDA und LEGEND nutzen Germanium-76 als Halbleiterdetektor. Der Kunstgriff: Das Nuklid ist zugleich Quelle und Detektor, was die Energieauflösung außerordentlich gut macht.

KamLAND-Zen löst Xenon-136 im Szintillator von KamLAND und nutzt so das vorhandene große Volumen.

CUORE kühlt Kristalle aus Tellur-130 auf ein Hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt und misst die winzige Temperaturerhöhung eines einzelnen Zerfalls.

Gefunden hat ihn keines. Die Untergrenzen liegen bei über 10²⁶ Jahren.

Warum ein Nichtfund Fortschritt ist

Jede verschobene Grenze schränkt die mögliche effektive Majorana-Masse weiter ein — derzeit auf einige Hundertstel bis Zehntel Elektronenvolt.

Damit nähert sich die Suche jenem Bereich, den die Neutrinomasse bei invertierter Massenordnung erwarten ließe. Findet die nächste Generation nichts, ist diese Anordnung weitgehend ausgeschlossen — auch das wäre ein Ergebnis.

Eine Einschränkung gehört dazu: Der Weg von der Halbwertszeit zur Masse führt über Kernmatrixelemente, die sich nur rechnen lassen. Verschiedene Verfahren unterscheiden sich um einen Faktor zwei bis drei. Diese Unsicherheit begleitet jede Angabe in diesem Feld.

Was auf dem Spiel steht

Ein Nachweis hätte drei Folgen auf einen Schlag. Er zeigte, dass das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Er widerlegte die Erhaltung der Leptonzahl. Und er stützte den Seesaw-Mechanismus — und damit einen möglichen Weg, das Übergewicht der Materie im Weltall zu erklären.

Quellen

GERDA-Kollaboration: Final Results of GERDA, Physical Review Letters 125, 252502 (2020).
KamLAND-Zen-Kollaboration: Search for Majorana Neutrinos with the Complete KamLAND-Zen Dataset, Physical Review Letters 130, 051801 (2023).