Doble desintegración beta
La doble desintegración beta es un proceso nuclear extraordinariamente raro en el que dos neutrones se convierten a la vez en protones. Se da en la naturaleza — y en una segunda forma, nunca observada, podría responder a una de las preguntas abiertas más antiguas de la física.
La forma ordinaria
En algunos núcleos atómicos la desintegración beta simple está prohibida energéticamente, pero la doble está permitida. Entonces se transforman dos neutrones a la vez, y surgen dos electrones y dos antineutrinos.
Como deben tener lugar dos procesos al mismo tiempo, eso es enormemente improbable:
| Núclido | Periodo de semidesintegración |
|---|---|
| Germanio-76 | unos 1,9 × 10²¹ años |
| Xenón-136 | unos 2,2 × 10²¹ años |
| Teluro-130 | unos 8 × 10²⁰ años |
Eso es de cien millones a cien mil millones de veces más largo que la edad del universo. Solo se hace medible por el número puro de átomos: en un kilogramo hay tantos núcleos que se producen algunas desintegraciones al año.
La forma buscada
Más interesante es la variante sin neutrinos. En ella surgirían solo los dos electrones.
Eso solo es posible si el neutrino es su propia antipartícula — una partícula de Majorana en el sentido de Ettore Majorana. Entonces el antineutrino emitido por un neutrón podría ser reabsorbido de inmediato por el segundo neutrón como neutrino. Hacia fuera no sale nada.
En este proceso el número leptónico quedaría violado en dos unidades. Caería con ello una magnitud conservada que hasta ahora se ha mantenido en todos los experimentos.
Cómo se reconocería
Se mide la suma de las energías de ambos electrones.
En la doble desintegración beta ordinaria los neutrinos se llevan una fracción indeterminada; la suma da un espectro amplio. Sin neutrinos, los electrones tendrían que llevar la energía entera — el resultado sería un pico nítido en el extremo superior.
Se busca, pues, una línea estrecha sobre un fondo amplio. Eso exige una resolución en energía excelente y materiales extremadamente puros.
Los competidores
Varios experimentos trabajan con distintos núclidos y técnicas — lo cual es intencionado, pues un hallazgo en un solo núclido sería difícil de creer.
GERDA y LEGEND utilizan germanio-76 como detector semiconductor. El truco: el núclido es a la vez fuente y detector, lo que hace extraordinariamente buena la resolución en energía.
KamLAND-Zen disuelve xenón-136 en el centellador de KamLAND y aprovecha así el gran volumen existente.
CUORE enfría cristales de teluro-130 hasta una centésima de grado por encima del cero absoluto y mide el diminuto aumento de temperatura de una sola desintegración.
Ninguno la ha encontrado. Los límites inferiores se sitúan por encima de 10²⁶ años.
Por qué un no hallazgo es un avance
Cada límite desplazado restringe todavía más la posible masa efectiva de Majorana — actualmente a unas centésimas o décimas de electronvoltio.
Con ello la búsqueda se aproxima a aquel rango que la masa del neutrino haría esperar en el caso de una ordenación de masas invertida. Si la próxima generación no encuentra nada, esa ordenación queda en gran medida excluida — también eso sería un resultado.
Una salvedad forma parte de esto: el camino del periodo de semidesintegración a la masa pasa por los elementos de matriz nucleares, que solo pueden calcularse. Distintos métodos se diferencian en un factor de dos a tres. Esta incertidumbre acompaña a cada dato en este campo.
Qué está en juego
Una detección tendría tres consecuencias de un golpe. Mostraría que el neutrino es su propia antipartícula. Refutaría la conservación del número leptónico. Y respaldaría el mecanismo seesaw — y con ello un posible camino para explicar el predominio de la materia en el universo.
Términos relacionados
- Ettore Majorana — la idea de 1937
- Helicidad — por qué surge la pregunta
- Mecanismo seesaw
- Masa del neutrino
Fuentes
- Colaboración GERDA: Final Results of GERDA, Physical Review Letters 125, 252502 (2020).
- Colaboración KamLAND-Zen: Search for Majorana Neutrinos with the Complete KamLAND-Zen Dataset, Physical Review Letters 130, 051801 (2023).