二重ベータ崩壊

二重ベータ崩壊とは、二つの中性子が同時に陽子になる、きわめてまれな原子核の過程である。それは自然界に存在する—そして、いまだ観測されていない第二の形においては、物理学における最も古い未解決の問いの一つに答えを与えうる。

通常の形

いくつかの原子核では単純なベータ崩壊がエネルギー的に禁じられているが、二重のものは許される。そのときは二つの中性子が同時に変わり、二つの電子と二つの反ニュートリノが生じる。

二つの過程が同時に起こらねばならないため、これは途方もなく起こりにくい。

核種	半減期
ゲルマニウム76	およそ 1.9 × 10²¹ 年
キセノン136	およそ 2.2 × 10²¹ 年
テルル130	およそ 8 × 10²⁰ 年

これは宇宙の年齢より1億倍から1000億倍長い。測定が可能になるのはひとえに原子の数の多さによる。 1キログラムの中には非常に多くの原子核が含まれるため、年に数回の崩壊が起こるのである。

探索されている形

より興味深いのはニュートリノを伴わない変種である。その場合には二つの電子だけが生じることになる。

これはニュートリノが自分自身の反粒子である場合にのみ可能である— すなわちエットーレ・マヨラナ（Ettore Majorana）の意味でのマヨラナ粒子である場合である。そのときは一方の中性子から放出された反ニュートリノが、第二の中性子によってただちにニュートリノとして再び吸収されうる。外へは何も出てこない。

この過程ではレプトン数が2だけ破れることになる。それによって、これまであらゆる実験で保たれてきた保存量が崩れる。

どのようにして見分けるのか

両方の電子のエネルギーの和を測る。

通常の二重ベータ崩壊ではニュートリノが不定の割合を運び去るため、和は幅広いスペクトルとなる。ニュートリノがなければ電子が全エネルギーを担わねばならない— 結果は上端における鋭いピークとなる。

したがって探されているのは、広い背景の上に現れる細い線である。そのためには卓越したエネルギー分解能と、きわめて純度の高い材料が必要となる。

競い合う実験

複数の実験がさまざまな核種と技術で取り組んでいる—これは意図的なことである。一つの核種だけでの発見は信じがたいものになるからである。

GERDAとLEGENDはゲルマニウム76を半導体検出器として用いる。その工夫は、この核種が発生源であると同時に検出器でもある点にあり、そのおかげでエネルギー分解能がきわめて良好になる。

KamLAND-Zenはキセノン136をKamLANDのシンチレーターに溶かし込み、既存の大きな体積を利用する。

CUOREはテルル130の結晶を絶対零度から100分の1度上まで冷却し、一つの崩壊による微小な温度上昇を測る。

それを見つけた実験はまだない。下限は10²⁶年を超えている。

見つからないことがなぜ前進なのか

限界が押し上げられるたびに、ありうる有効マヨラナ質量はさらに狭められる— 現在は数百分の1から10分の1電子ボルトの範囲までである。

これにより探索は、ニュートリノ質量が逆階層の場合に期待される領域へ近づいている。次の世代が何も見いださなければ、この配列はおおむね排除される—それもまた一つの結果である。

一つの制約がこれに伴う。半減期から質量へ至る道は核行列要素を経由し、それは計算によってしか得られない。異なる手法の間では2倍から3倍の開きがある。この不確かさはこの分野のあらゆる数値につきまとう。

何がかかっているのか

検出が成功すれば、三つの帰結が一挙に得られる。それはニュートリノが自分自身の反粒子であることを示す。それはレプトン数の保存を反証する。そしてそれはシーソー機構を支える—それによって、宇宙における物質の優位を説明する一つの道筋をも支えることになる。

出典

GERDAコラボレーション：Final Results of GERDA, Physical Review Letters 125, 252502 (2020).
KamLAND-Zenコラボレーション：Search for Majorana Neutrinos with the Complete KamLAND-Zen Dataset, Physical Review Letters 130, 051801 (2023).