✨Phân rã beta kép

Trong vật lý hạt nhân, phân rã beta kép là một loại phân rã phóng xạ, trong đó hai neutron đồng thời biến thành hai proton, hoặc ngược lại, bên trong hạt nhân nguyên tử. Như trong phân rã beta đơn, quá trình này giúp tỷ lệ proton và neutron tối ưu hơn. Kết quả của sự biến đổi này là hạt nhân phát ra hai hạt beta có thể phát hiện được, đó là các electron hoặc positron.

Tài liệu phân biệt giữa hai loại phân rã beta kép: phân rã beta kép thông thường và phân rã beta kép phi neutrino. Trong phân rã beta kép thông thường, đã được quan sát thấy ở một số đồng vị, hai electron và hai phản neutrino electron được phát ra từ hạt nhân đang phân rã. Trong phân rã beta kép phi neutrino, một quá trình giả định chưa bao giờ được quan sát thấy, sẽ chỉ có các electron được phát ra.

Lịch sử

Ý tưởng về phân rã beta kép lần đầu tiên được đề xuất bởi Maria Goeppert-Mayer vào năm 1935. Năm 1937, Ettore Majorana chứng minh rằng tất cả các kết quả của lý thuyết phân rã beta không thay đổi nếu neutrino là phản hạt của chính nó, ngày nay được gọi là hạt Majorana. Năm 1939, Wendell H. Furry đề xuất rằng nếu neutrino là hạt Majorana, thì phân rã beta kép có thể xảy ra mà không phát ra bất kỳ neutrino nào, thông qua quá trình hiện được gọi là phân rã beta kép phi neutrino. Người ta vẫn chưa biết liệu neutrino có phải là hạt Majorana hay không, và liên quan đến việc liệu phân rã beta kép không có neutrino có tồn tại trong tự nhiên hay không.

Vào những năm 1930–1940, người ta không biết đến sự vi phạm tính chẵn lẻ (parity violation) trong tương tác yếu, và do đó, các tính toán cho thấy rằng phân rã beta kép không có neutrino sẽ có nhiều khả năng xảy ra hơn nhiều so với phân rã beta kép thông thường, nếu neutrino là hạt Majorana. Thời gian bán rã được dự đoán là vào khoảng ~ năm. Các thí nghiệm đo phóng xạ trong khoảng năm 1960 cho kết quả âm tính (negative result) hoặc là dương tính giả (false positive result), không được xác nhận bởi các thí nghiệm sau này. Năm 1950, lần đầu tiên chu kỳ bán rã beta kép của được đo bằng các phương pháp địa hóa là 1.4× năm, khá gần với giá trị hiện đại. Điều này liên quan đến việc phát hiện nồng độ khoáng chất của xenon được tạo ra bởi sự phân rã.

Năm 1956, sau khi bản chất V–A của tương tác yếu được biết, rõ ràng là chu kỳ bán rã của phân rã beta kép phi neutrino sẽ vượt quá đáng kể so với phân rã beta kép thông thường. Mặc dù có những tiến bộ đáng kể trong các kỹ thuật thí nghiệm vào những năm 1960–1970, nhưng mãi đến những năm 1980 thì phân rã beta kép mới được quan sát thấy trong phòng thí nghiệm. Các thí nghiệm chỉ có thể thiết lập giới hạn dưới cho chu kỳ bán rã – khoảng  năm. Đồng thời, các thí nghiệm địa hóa (geochemical experiment) đã phát hiện ra sự phân rã beta kép của và . Kể từ đó, nhiều thí nghiệm đã quan sát thấy sự phân rã beta kép thông thường ở các đồng vị khác. Không có thí nghiệm nào trong số đó mang lại kết quả khả quan cho quá trình phân rã không có neutrino, nâng chu kỳ bán rã giới hạn dưới lên xấp xỉ  năm. Các thí nghiệm địa hóa tiếp tục trong suốt những năm 1990, tạo ra kết quả khả quan đối với một số đồng vị. (bao gồm cả sự bắt giữ electron kép của đồng vị được quan sát vào năm 2001, được quan sát vào năm 2013 và được quan sát vào năm 2019), và tất cả đều có lifetime trung bình trên  năm (bảng bên dưới). Bảng bên dưới gồm các hạt nhân có chu kỳ bán rã đo được bằng thực nghiệm mới nhất, tính đến tháng 12 năm 2016, ngoại trừ ¹²⁴Xe (lần đầu tiên quan sát thấy sự bắt giữ electron kép vào năm 2019).

Việc tìm kiếm phân rã beta kép trong các đồng vị đưa ra những thách thức thực nghiệm lớn hơn đáng kể. Một đồng vị như vậy là .

Các hạt nhân ổn định beta (beta-stable) (hoặc gần như ổn định beta) đã biết sau đây với A ≤ 260, về mặt lý thuyết có khả năng phân rã beta kép, trong đó màu đỏ là đồng vị có tốc độ phân rã beta kép được đo bằng thực nghiệm và màu đen là vẫn chưa được đo bằng thực nghiệm: ⁴⁶Ca, , ⁷⁰Zn, , ⁸⁰Se, , ⁸⁶Kr, ⁹⁴Zr, , ⁹⁸Mo, , ¹⁰⁴Ru, ¹¹⁰Pd, ¹¹⁴Cd, , ¹²²Sn, ¹²⁴Sn, , , ¹³⁴Xe, , ¹⁴²Ce, ¹⁴⁶Nd, ¹⁴⁸Nd, , ¹⁵⁴Sm, ¹⁶⁰Gd, ¹⁷⁰Er, ¹⁷⁶Yb, ¹⁸⁶W, ¹⁹²Os, ¹⁹⁸Pt, ²⁰⁴Hg, ²¹⁶Po, ²²⁰Rn, ²²²Rn, ²²⁶Ra, ²³²Th, , ²⁴⁴Pu, ²⁴⁸Cm, ²⁵⁴Cf, ²⁵⁶Cf, và ²⁶⁰Fm.

Các hạt nhân ổn định beta (hoặc gần như ổn định beta) đã biết sau đây với A ≤ 260, về mặt lý thuyết có khả năng bắt giữ electron kép, trong đó màu đỏ là các đồng vị có tốc độ bắt giữ electron kép được đo đạc và màu đen là vẫn chưa được đo bằng thực nghiệm: ³⁶Ar, ⁴⁰Ca, ⁵⁰Cr, ⁵⁴Fe, ⁵⁸Ni, ⁶⁴Zn, ⁷⁴Se, , ⁸⁴Sr, ⁹²Mo, ⁹⁶Ru, ¹⁰²Pd, ¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd, ¹¹²Sn, ¹²⁰Te, , ¹²⁶Xe, , ¹³²Ba, ¹³⁶Ce, ¹³⁸Ce, ¹⁴⁴Sm, ¹⁴⁸Gd, ¹⁵⁰Gd, ¹⁵²Gd, ¹⁵⁴Dy, ¹⁵⁶Dy, ¹⁵⁸Dy, ¹⁶²Er, ¹⁶⁴Er, ¹⁶⁸Yb, ¹⁷⁴Hf, ¹⁸⁰W, ¹⁸⁴Os, ¹⁹⁰Pt, ¹⁹⁶Hg, ²¹²Rn, ²¹⁴Rn, ²¹⁸Ra, ²²⁴Th, ²³⁰U, ²³⁶Pu, ²⁴²Cm, ²⁵²Fm, và ²⁵⁸No.

Việc quan sát phân rã beta kép phi neutrino sẽ yêu cầu ít nhất một neutrino là hạt Majorana, bất kể quá trình có được tạo ra bởi sự trao đổi neutrino hay không.

Thí nghiệm

Nhiều thí nghiệm đã tìm kiếm sự phân rã beta kép phi neutrino. Các thí nghiệm hoạt động tốt nhất có khối lượng đồng vị đang phân rã cao và nền thấp, với một số thí nghiệm có thể thực hiện phân biệt hạt và theo dõi electron. Để loại bỏ phông nền khỏi các tia vũ trụ, hầu hết các thí nghiệm đều được đặt trong các phòng thí nghiệm dưới lòng đất trên khắp thế giới.

Các thí nghiệm gần đây và được đề xuất bao gồm:

• Thí nghiệm đã hoàn thành: TPC Gotthard. Heidelberg-Moscow, máy dò ⁷⁶Ge (1997–2001). NEMO, các đồng vị khác nhau sử dụng máy đo nhiệt lượng theo dõi (2003–2011). Cuoricino, ¹³⁰Te trong tinh thể TeO₂ siêu lạnh (2003–2008).
• Thí nghiệm lấy số liệu tính đến tháng 11 năm 2017: COBRA, ¹¹⁶Cd trong tinh thể CdZnTe ở nhiệt độ phòng. CUORE, ¹³⁰Te trong tinh thể TeO₂ cực lạnh. EXO, tìm kiếm ¹³⁶Xe và ¹³⁴Xe. GERDA, máy dò ⁷⁶Ge. KamLAND-Zen, tìm kiếm ¹³⁶Xe. Thu thập dữ liệu từ năm 2011. XMASS sử dụng xenon lỏng.
• Các thử nghiệm được đề xuất trong tương lai: CUPID, phân rã beta kép phi neutrino của ¹⁰⁰Mo. CANDLES, ⁴⁸Ca trong CaF_2, tại Đài thiên văn Kamioka. MOON, phán triển máy dò ¹⁰⁰Mo. AMoRE, tinh thể CaMoO₄ được làm giàu ¹⁰⁰Mo tại phòng thí nghiệm dưới lòng đất YangYang. nEXO, sử dụng chất lỏng ¹³⁶Xe trong buồng chiếu thời gian. LEGEND, sự phân rã beta kép phi neutrino của ⁷⁶Ge. LUMINEU, khám phá các tinh thể ZnMoO₄ được làm giàu ¹⁰⁰Mo tại LSM, Pháp. NEXT, một Xenon TPC. NEXT-DEMO đã chạy và NEXT-100 sẽ chạy vào năm 2016. SNO+, một scintillator lỏng, sẽ nghiên cứu ¹³⁰Te. SuperNEMO, một bản nâng cấp của NEMO, sẽ nghiên cứu ⁸²Se. TIN.TIN, một máy dò ¹²⁴Sn detector tại INO. PandaX-III, một thử nghiệm với 200 kg đến 1000 kg được làm giàu 90% ¹³⁶Xe. ** DUNE, một TPC chứa đầy argon lỏng pha tạp ¹³⁶Xe.

Trạng thái

Trong khi một số thí nghiệm tuyên bố đã phát hiện ra sự phân rã beta kép phi neutrino, các nghiên cứu hiện đại không tìm thấy bằng chứng nào về sự phân rã đó.

Tranh cãi Heidelberg–Moscow

Một số thành viên của nhóm hợp tác Heidelberg–Moscow đã tuyên bố phát hiện ra sự phân rã beta phi neutrino ở ⁷⁶Ge vào năm 2001. Tuyên bố này đã bị chỉ trích bởi các nhà vật lý khác cũng như các thành viên khác của nhóm hợp tác. Năm 2006, một ước tính của cùng các tác giả cho biết thời gian bán rã là 2,3 năm. Chu kỳ bán rã này đã bị các thí nghiệm khác với độ tin cậy cao bác bỏ, bao gồm cả thí nghiệm ⁷⁶Ge của GERDA.

Kết quả hiện tại

Kể từ năm 2017, các giới hạn mạnh nhất đối với phân rã beta kép phi neutrino đến từ GERDA ở ⁷⁶Ge, CUORE ở ¹³⁰Te, và EXO-200 và KamLAND-Zen ở ¹³⁶Xe.

Phân rã beta đồng thời bậc cao

Đối với các số khối có nhiều hơn 2 isobar ổn định beta, phân rã beta tứ bội (quadruple beta decay) và bắt giữ electron tứ bội (quadruple electron capture) đã được đề xuất như là lựa chọn thay thế cho phân rã beta kép trong các đồng vị có mức năng lượng dư thừa lớn nhất. Những phân rã này có thể xảy ra về mặt năng lượng trong 8 hạt nhân, mặc dù partial half-life so với phân rã beta đơn hoặc kép được dự đoán là rất dài; do đó, không thể quan sát thấy phân rã beta tứ bội. 8 hạt nhân triển vọng nhất cho phân rã beta tứ bội bao gồm ⁹⁶Zr, ¹³⁶Xe, và ¹⁵⁰Nd có khả năng phân rã beta trừ tứ bội và ¹²⁴Xe, ¹³⁰Ba, ¹⁴⁸Gd, và ¹⁵⁴Dy có khả năng phân rã beta cộng tứ bội hoặc bắt giữ electron tứ bội. Về lý thuyết, phân rã beta tứ bội có thể quan sát được bằng thực nghiệm ở 3 trong số các hạt nhân này, với hạt nhân triển vọng nhất là ¹⁵⁰Nd. Phân rã beta tam bội (triple beta decay) cũng có thể xảy ra đối với ⁴⁸Ca, ⁹⁶Zr, và ¹⁵⁰Nd. Phân rã beta tứ bội phi neutrino sẽ vi phạm số lepton trong 4 đơn vị, trái ngược với số lepton vượt quá 2 đơn vị trong trường hợp phân rã beta kép phi neutrino. Do đó, không có 'định lý hộp đen' và neutrino có thể là hạt Dirac trong khi vẫn cho phép các loại quá trình này. Đặc biệt, nếu phân rã beta tứ bội phi neutrino được tìm thấy trước phân rã beta kép phi neutrino thì người ta kỳ vọng rằng neutrino sẽ là hạt Dirac.

Cho đến nay, các tìm kiếm về phân rã beta tam và tứ bội trong ¹⁵⁰Nd vẫn không thành công.