Двойной бета-распад

Двойной бета-распад — необычайно редкий ядерный процесс, при котором два нейтрона одновременно становятся протонами. Он встречается в природе — а во второй, никогда не наблюдавшейся форме мог бы ответить на один из старейших открытых вопросов физики.

Обычная форма

У некоторых атомных ядер простой бета-распад энергетически запрещён, а двойной разрешён. Тогда два нейтрона превращаются одновременно, и возникают два электрона и два антинейтрино.

Поскольку два процесса должны произойти одновременно, это неимоверно маловероятно:

Это в сто миллионов — сто миллиардов раз дольше, чем возраст Вселенной. Измеримым это становится лишь благодаря самому числу атомов: в килограмме содержится столько ядер, что за год происходит несколько распадов.

Искомая форма

Интереснее вариант без нейтрино. При нём возникали бы только два электрона.

Это возможно только в том случае, если нейтрино есть собственная античастица — майорановская частица в смысле Этторе Майораны. Тогда антинейтрино, испущенное одним нейтроном, могло бы тут же быть поглощено вторым нейтроном как нейтрино. Наружу не выходит ничего.

При этом процессе лептонное число нарушалось бы на две единицы. Тем самым пала бы сохраняющаяся величина, которая до сих пор устояла в каждом эксперименте.

Как его распознали бы

Измеряют сумму энергий обоих электронов.

При обычном двойном бета-распаде нейтрино уносят неопределённую долю; сумма даёт широкий спектр. Без нейтрино электроны должны были бы нести всю энергию — результатом был бы резкий пик на верхнем конце.

Итак, ищут узкую линию над широким фоном. Это требует превосходного энергетического разрешения и предельно чистых материалов.

Конкуренты

Несколько экспериментов работают с разными нуклидами и разными методами — и это намеренно, ведь находке на одном-единственном нуклиде было бы трудно поверить.

GERDA и LEGEND используют германий-76 как полупроводниковый детектор. Уловка: нуклид является одновременно источником и детектором, что делает энергетическое разрешение чрезвычайно хорошим.

KamLAND-Zen растворяет ксенон-136 в сцинтилляторе KamLAND и использует таким образом имеющийся большой объём.

CUORE охлаждает кристаллы из теллура-130 до одной сотой градуса выше абсолютного нуля и измеряет ничтожное повышение температуры от единичного распада.

Не нашёл его ни один. Нижние границы составляют более 10²⁶ лет.

Почему отсутствие находки есть продвижение

Каждая отодвинутая граница всё сильнее ограничивает возможную эффективную майорановскую массу — в настоящее время до нескольких сотых и десятых долей электронвольта.

Тем самым поиск приближается к той области, которую масса нейтрино позволяла бы ожидать при обратном порядке масс. Если следующее поколение ничего не найдёт, этот порядок будет в значительной мере исключён — и это тоже было бы результатом.

Одна оговорка сюда относится: путь от периода полураспада к массе ведёт через ядерные матричные элементы, которые поддаются только расчёту. Разные методы различаются между собой в два-три раза. Эта неопределённость сопровождает каждое значение в этой области.

Что поставлено на карту

Регистрация имела бы три следствия разом. Она показала бы, что нейтрино есть собственная античастица. Она опровергла бы сохранение лептонного числа. И она поддержала бы механизм качелей — а тем самым и возможный путь объяснить перевес материи во Вселенной.

Родственные понятия

• Этторе Майорана — идея 1937 года
• Спиральность — почему возникает этот вопрос
• Механизм качелей
• Масса нейтрино

Источники

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