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双β衰变

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核物理学上,双β衰变(又称双重β衰变,英语:double beta decay)是一种放射性衰变,当中在原子核内的两颗质子同时变换成两颗中子,反之亦然。跟单β衰变一样,这个过程能使原子更接近最优的质子中子比。作为这种变换的结果,原子核射出两枚能被侦测的β粒子,即是电子正电子

双β衰变共有两种:“寻常”双β衰变和“无中微子”双β衰变。寻常双β衰变在多种同位素中都被观测到,过程中衰变核射出两电子和两反电中微子。而无中微子双β衰变则是一项假想过程,从未曾被观测过,过程中只会射出电子。

历史

双β衰变这个概念最初由玛丽亚·格佩特-梅耶于1935年提出[1]埃托雷·马约拉纳于1937年证明了若中微子为其自身的反粒子,则β衰变理论的所有结果不变,因此有这种特性的粒子现在被称为马约拉纳粒子[2]温德尔·弗里英语Wendell H. Furry于1939年提出若中微子为马约拉纳粒子的话,则双β衰变能够在不射出任何中微子的情况下进行,这个过程现在被称为无中微子双β衰变[3]。现时仍未知道中微子是否马约拉纳粒子,亦未知道无中微子双β衰变是否存在于自然之中[4]

弱相互作用宇称破缺在1930至40年代尚未被发现,因此造成了相关计算指出无中微子双β衰变的出现率应该要比寻常双β衰变要高得多。半衰期的预测值在1015–16年的数量级上[4]。早在1948年,爱德华·法厄曼英语Edward L. Fireman在用盖革计数器直接量度锡-124的半衰期时就第一次尝试了在实验中观测这个过程[5]。整个1960年代的放射性测量实验都得出反面结果或伪正面结果,这些结果在后来的实验都未能重现。物理学家于1950年在使用地球化学方法第一次成功量度到碲-130的双β衰变半衰期为1.4×1021[6],与现代的测量值相当接近。

弱相用作用的V−A性质确立的1956年后,无中微子双β衰变的半衰期就变得很明显地应该要比寻常β衰变要长得多。尽管实验技巧在1960至70年代得到重大的跃进,但是双β衰变要在1980年代才能在实验室观测得到。实验只成功确立了半衰期的下限约在1021年。与此同时,地球化学实验探测到了硒-82碲-128的双β衰变[4]

最早在实验室成功观测到双β衰变的是加州大学尔湾分校迈克尔·莫伊(Michael Moe)的团队,他们于1987年到硒-82的这个过程[7]。自此以后,不少实验都成功观测到其他同位素的寻常双β衰变。但上述实验中没有一个能为无中微子过程提供正面的结果,因此其半衰期下限被提高至约为1025年。地球化学实验继续于整个1990年代发展,在数种同位素中得出了正面的结果[4]。双β衰变是已知放射性衰变中最罕见的:至2012年为止只有在12种同位素中观测到这个过程(包括2001年所观测到钡-130双电子捕获英语double electron capture),而所有已知双β衰变过程的平均寿命都在1018年以上(见下表)[4]

寻常双β衰变

在双β衰变中,原子核内的两中子变换成质子,并射出两电子及两电中微子。这个过程可被视为两次负β衰变的总和。要使(双)β衰变变得可行,衰变所产生原子核的束缚能必须比原来的大。对某些像锗-76的原子核而言,原子数高一的原子核有着较低的束缚能,因此阻止了β衰变的发生。然而,原子数高二的原子核(硒-76)则有较大的束缚能,因此可以发生双β衰变。

对某些原子而言,这个过程把两个质子转换成中子,射出两电子中微子并吸收两轨道电子(双电子捕获)。若衰变物与衰变产物的原子质量差超过1.022 MeV/c2(电子质量的两倍)的话,还可以发生另一衰变,捕获一轨道电子并射出一正电子。当质量差超过2.044 MeV/c2(电子质量的四倍)时,可以射出两正电子。但这些理论衰变分支仍未被观测到。

已知双β衰变同位素

能发生双β衰变的自然产生同位素共有35种。若单β衰变因能量守恒被禁止的话,实际上就能够观测到双β衰变。质子数及中子数皆为偶数的同位素有可能有这种情况,这是因为自旋耦合所导致的较高稳定性,可由液滴模型质量公式的配对项得知。

不少同位素在理论上都能够发生双β衰变。在大部分的个案中,双β衰变实在太罕有了,以致几乎不可能从背景辐射下观测到。然而,铀-238(同时是α射线发射体)的双β衰变可经由放射化学来量度。下表的钙-48英语Calcium-48锆-96理论上都能出现单β衰变,但都被严重抑制,因此从未被观测过。

实验上观测到出现双中微子双β衰变的同位素共有11种[8]。下表含有截至2012年12月半衰期的最新数据[8]

核素 半衰期(1021年) 变化 方法 实验
钙-48英语Calcium-48 0.044+0.005
−0.004
± 0.004
直接 NEMO-3
锗-76 1.84 +0.09
−0.08
+0.11
−0.06
直接 GERDA(2013年)[9]
硒-82 0.096 ± 0.003 ± 0.010 直接 NEMO-3
锆-96 0.0235 ± 0.0014 ± 0.0016 直接 NEMO-3
钼-100 0.00711 ± 0.00002 ± 0.00054 直接 NEMO-3
0.69+0.10
−0.08
± 0.07
0+→ 0+1 直接 锗重合
镉-116 0.028 ± 0.001 ± 0.003 直接 NEMO-3
碲-128 7200 ± 400 地球化学
碲-130 0.7 ± 0.09 ± 0.11 直接 NEMO-3
氙-136 2.165 ± 0.016 ± 0.059 直接 EXO-200
钕-150 0.00911+0.00025
−0.00022
± 0.00063
直接 NEMO-3
铀-238 2.0 ± 0.6 放射化学

注意:上表中两个误差的第一个为统计误差,而第二个则为系统误差[8]

无中微子双β衰变

图为两中子衰变成两质子的无中微子双β衰变的费曼图。若中微子和反中微子是同一粒子(即马约拉纳中微子),则同样的中微子能在原子核内射出并被吸收,使得这个过程中唯一被射出的产物为两电子。在常规的双β衰变中,原子核除两电子外,还会射出两反中微子——两个W顶点各一。因此无中微子双β衰变是对中微子是否马约拉纳粒子的一项高精度测试。
图为两中子衰变成两质子的无中微子双β衰变的费曼图。若中微子和反中微子是同一粒子(即马约拉纳中微子),则同样的中微子能在原子核内射出并被吸收,使得这个过程中唯一被射出的产物为两电子。在常规的双β衰变中,原子核除两电子外,还会射出两反中微子——两个W顶点各一。因此无中微子双β衰变是对中微子是否马约拉纳粒子的一项高精度测试。

过程中射出两中微子(或反中微子)的叫双中微子双β衰变。若中微子为马约拉纳粒子(意思是反中微子和中微子实际上是同一种粒子),且最少一种中微子的质量非零(已由中微子振荡实验确立),则无中微子双β衰变有可能发生。在最简单的理论论述(又称轻中微子交换)中,两中微子互相湮灭,这相等于核子吸收了由另一核子射出的中微子。

右图中的中微子为虚粒子。最终态中只有两电子,电子的总动能会大约等于原子核开始及结束时的束缚能差额(其余则归入原子核的后座力)。两电子几乎是背对背发射的。这个过程的衰变率近似值可由下式所得:

其中二体相空间因子,为核矩阵元,mββ为电中微子的有效马约拉纳质量,由下式所得

在这个式子中,mi中微子质量(第i个质量本征态),Uei为轻子混合矩阵PMNS矩阵的矩阵元。因此观测无中微子双β衰变除了是确认中微子的马约拉纳特性之外,还可以为绝对中微子质量尺度、中微子质量级列和PMNS矩阵的马约拉纳相提供信息[10][11]

这个过程的深层意义从“黑箱定理”而来,即是说观测到无中微子双β衰变代表最少一个中微子是马约拉纳粒子,与这个过程是否由中微子交换所产生无关[12]

状态

虽然早期实验声称发现了无中微子双β衰变,但是现代搜索已经设立了对之前结果不利的极限。近期论文中锗和氙的下限并没有指出任何有关无中微子衰变的迹象。

海德堡-莫斯科争议

海德堡-莫斯科协作研究组织最初发表了锗-76内无中微子双β衰变的极限[1]。然后组织的一些成员声称他们在2001年探测到无中微子双β衰变[13]这个声称饱受组织外物理学家[1][14][15]和组织内其他成员的批评[16]。同样的作者在2006年发表了较深入的估计值,指出半衰期为2.3×1025[17]。 物理学家期望精度更高的多项2014年实验[18]能解决这项争议[1]

现时结果

截至2014年,锗-76探测器GERDA已经达到甚低的背景,得出21.6 kg*yr曝光的半衰期极限为2.1×1025[19]。探测器IGEX和HDM的数据则把极限增加至3×1025年,并在高确信度下剔除了探测到的可能性。氙-136的探测器Kamland-Zen 和EXO-200得出的极限为2.6×1025年。氙-136的结果使用了最新的核矩阵元,它们也对海德堡-莫斯科的声称不利。

参阅

参考资料

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  2. ^ Majorana, Ettore. Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone. Il Nuovo Cimento. 2008-09-21, 14 (4): 171–184. ISSN 1827-6121. doi:10.1007/BF02961314 (意大利语). 
  3. ^ Furry, W. H. On Transition Probabilities in Double Beta-Disintegration. Physical Review. 1939, 56 (12): 1184–1193. Bibcode:1939PhRv...56.1184F. doi:10.1103/PhysRev.56.1184. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 Barabash, A. S. Experiment double beta decay: Historical review of 75 years of research. Physics of Atomic Nuclei. 2011, 74 (4): 603–613. Bibcode:2011PAN....74..603B. arXiv:1104.2714. doi:10.1134/S1063778811030070. 
  5. ^ Fireman, E. Double Beta Decay. Physical Review. 1948, 74 (9): 1238. Bibcode:1948PhRv...74.1201.. doi:10.1103/PhysRev.74.1201. 
  6. ^ Inghram, Mark G.; Reynolds, John H. Double Beta-Decay of Te130. Physical Review. 1950, 78 (6): 822–823. Bibcode:1950PhRv...78..822I. doi:10.1103/PhysRev.78.822.2. 
  7. ^ Elliott, S. R.; Hahn, A. A.; Moe; M. K. Direct evidence for two-neutrino double-beta decay in 82Se. Physical Review Letters. 1987, 59 (18): 2020–2023. Bibcode:1987PhRvL..59.2020E. doi:10.1103/PhysRevLett.59.2020. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 Beringer, J. et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics. Physical Review D. 2012, 86: 010001. Bibcode:2012PhRvD..86a0001B. doi:10.1103/PhysRevD.86.010001. 
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  11. ^ H.V. Klapdor, A. Staudt „Non-accelerator Particle Physics“, 2.edition, Institute of Physics Publishing, Bristol, Philadelphia, 1998, 535 ps.
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外部链接

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