Duplo decaimento beta

O duplo decaimento beta é um processo nuclear extraordinariamente raro no qual dois nêutrons se tornam prótons ao mesmo tempo. Ele ocorre na natureza — e em uma segunda forma, nunca observada, poderia responder a uma das mais antigas questões abertas da física.

A forma comum

Em alguns núcleos atômicos o decaimento beta simples é energeticamente proibido, mas o duplo é permitido. Então dois nêutrons se transformam ao mesmo tempo, e surgem dois elétrons e dois antineutrinos.

Como dois processos precisam ocorrer simultaneamente, isso é imensamente improvável:

Isso é cem milhões a cem bilhões de vezes mais longo que a idade do universo. Só se torna mensurável pela pura quantidade de átomos: em um quilograma há tantos núcleos que alguns decaimentos ocorrem por ano.

A forma procurada

Mais interessante é a variante sem neutrinos. Nela surgiriam apenas os dois elétrons.

Isso só é possível se o neutrino for sua própria antipartícula — uma partícula de Majorana no sentido de Ettore Majorana. Então o antineutrino emitido por um nêutron poderia ser imediatamente reabsorvido pelo segundo nêutron como neutrino. Para fora nada escapa.

Nesse processo o número leptônico estaria violado em duas unidades. Cairia assim uma grandeza conservada que até agora se sustentou em todos os experimentos.

Como ele seria reconhecido

Mede-se a soma das energias dos dois elétrons.

No duplo decaimento beta comum os neutrinos levam embora uma fração indeterminada; a soma resulta em um espectro largo. Sem neutrinos os elétrons teriam de carregar a energia inteira — o resultado seria um pico nítido na extremidade superior.

Procura-se, portanto, uma linha estreita sobre um fundo largo. Isso exige excelente resolução em energia e materiais extremamente puros.

Os concorrentes

Vários experimentos trabalham com nuclídeos e técnicas diferentes — o que é intencional, pois um achado em um único nuclídeo seria difícil de acreditar.

GERDA e LEGEND usam germânio-76 como detector semicondutor. O artifício: o nuclídeo é ao mesmo tempo fonte e detector, o que torna a resolução em energia extraordinariamente boa.

KamLAND-Zen dissolve xenônio-136 no cintilador do KamLAND e aproveita assim o grande volume existente.

CUORE resfria cristais de telúrio-130 a um centésimo de grau acima do zero absoluto e mede o minúsculo aumento de temperatura de um único decaimento.

Nenhum deles o encontrou. Os limites inferiores situam-se acima de 10²⁶ anos.

Por que um não achado é progresso

Cada limite deslocado restringe ainda mais a possível massa efetiva de Majorana — atualmente a alguns centésimos ou décimos de elétron-volt.

Com isso a busca se aproxima daquela faixa que a massa do neutrino deixaria esperar em hierarquia de massas invertida. Se a próxima geração nada encontrar, esse arranjo está em grande parte excluído — também isso seria um resultado.

Uma ressalva faz parte disso: o caminho da meia-vida até a massa passa por elementos de matriz nuclear, que só podem ser calculados. Diferentes métodos diferem por um fator de dois a três. Essa incerteza acompanha toda indicação nesse campo.

O que está em jogo

Uma detecção teria três consequências de uma só vez. Mostraria que o neutrino é sua própria antipartícula. Refutaria a conservação do número leptônico. E apoiaria o mecanismo seesaw — e com ele um caminho possível para explicar o predomínio da matéria no universo.

Termos relacionados

• Ettore Majorana — a ideia de 1937
• Helicidade — por que a questão surge
• Mecanismo seesaw
• Massa do neutrino

Fontes

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