Η διάσπαση β και η διπλή διάσπαση β χωρίς νετρίνα

Posted on 17/05/2018

0


Η ραδιενέργεια βήτα είναι μια διαδικασία κατά την οποία στο εσωτερικό του πυρήνα ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντι-νετρίνο του ηλεκτρονίου:beta_ή ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο εκπέμποντας ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο του ηλεκτρονίουbeta+Τι είναι όμως η διπλή διάσπαση β χωρίς την εκπομπή νετρίνων;

H ιδέα της διπλής διάσπασης βήτα προτάθηκε για πρώτη φορά από την Maria Goeppert-Mayer το 1935 (η Mayer είναι γνωστή στην πυρηνική φυσική από το μοντέλο φλοιών για το οποίο βραβεύθηκε με το Νόμπελ φυσικής το 1963.)

Το 1937 ο θεωρητικός Ettore Majorana απέδειξε ότι όλα τα αποτελέσματα της θεωρίας της διάσπασης β παρέμεναν αναλλοίωτα αν το νετρίνο ταυτιζόταν με το αντισωματίδιό του, ενώ το 1939, ο Wendell H. Furry πρότεινε για πρώτη φορά, ότι αν το νετρίνο ήταν ένα σωματίδιο Majorana τότε η διπλή βήτα διάσπαση θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί χωρίς την εκπομπή κάποιου νετρίνου.

Υπάρχει η κοινή διπλή βήτα διάσπαση, κατά την οποία δυο νετρόνια στον πυρήνα μετατρέπονται σε δυο πρωτόνια και ταυτόχρονα παράγονται δυο ηλεκτρόνια και δυο αντινετρίνα του ηλεκτρονίου, η οποία έχει παρατηρηθεί στο εργαστήριο.

Διάγραμμα Feynman για την διπλή βήτα διάσπαση χωρίς εκπομπή νετρίνων, κατά την οποία δυο νετρόνια μετατρέπονται σε νετρόνια. Τα μόνα εκπεμπόμενα προϊόντα είναι δυο ηλεκτρόνια, τα οποία μπορούν να προκύψουν αν το νετρίνο και το αντινετρίνο είναι το ίδιο σωματίδιο (νετρίνο Majorana), έτσι ώστε το ίδιο νετρίνο να μπορεί να εκπεμφθεί και να απορροφηθεί από τον πυρήνα. Η ανίχνευση της διπλής βήτα διάσπασης θα επιβεβαιώσει το αν τα νετρίνα είναι σωματίδια Majorana.

Διάγραμμα Feynman για την διπλή βήτα διάσπαση χωρίς εκπομπή νετρίνων, κατά την οποία δυο νετρόνια μετατρέπονται σε νετρόνια. Τα μόνα εκπεμπόμενα προϊόντα είναι δυο ηλεκτρόνια, τα οποία μπορούν να προκύψουν αν το νετρίνο και το αντινετρίνο είναι το ίδιο σωματίδιο (νετρίνο Majorana), έτσι ώστε το ίδιο νετρίνο να μπορεί να εκπεμφθεί και να απορροφηθεί από τον πυρήνα. 

Αν όμως το νετρίνο είναι σωματίδιο Majorana (το νετρίνο ταυτίζεται με το αντισωματίδιό του), τότε η θεωρία δεν απαγορεύει την διπλή διάσπαση βήτα χωρίς την εκπομπή νετρίνων, η οποία συμβολίζεται με 0νββ. Η μέτρηση της 0νββ θα έδινε επιπλέον, ενδιαφέρουσες πληροφορίες σχετικά με τις μάζες των νετρίνων – οι φυσικοί γνωρίζουν ότι τα νετρίνα έχουν μάζες, αλλά όχι ποιες είναι οι μάζες των διαφόρων τύπων των νετρίνων.

Ένας από τους πυρήνες που θα ήταν δυνατόν να υποστούν διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνα είναι το ισότοπο του γερμανίου 76Ge (76Ge→76Se + 2e). Το πείραμα GERDA (GERmanium Detector Array) είναι μια διάταξη των ανιχνευτών γερμανίου βυθισμένων σε υγρό αργό που στήθηκε στο Gran Sasso της Ιταλίας το 2004. Εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι το γερμάνιο χρησιμοποιείται για την κατασκευή αυτών πολύ ευαίσθητων ανιχνευτών ακτινοβολίας. Αν λοιπόν συμβεί  διάσπαση 0νββ στο εσωτερικό ενός ανιχνευτή γερμανίου, τότε θα ανιχνευθούν σχεδόν ταυτόχρονα τα δυο ηλεκτρόνια που παράγονται.

Τι λείπει στους υπολογισμούς της διπλής διάσπασης βήτα χωρίς την εκπομπή νετρίνων;

Αν και το πείραμα GERDA δεν ανίχνευσε γεγονότα διπλής διάσπασης βήτα χωρίς νετρίνα, οι φυσικοί μπορούν να εκτιμήσουν ότι ο χρόνος ημίσειας ζωής της διάσπασης 0νββ του 76Ge είναι μεγαλύτερος από  5×1025 χρόνια!

Όμως, σύμφωνα με τη δημοσίευση των ερευνητών V. Cirigliano et al [A new leading contribution to neutrinoless double-beta decay], η ενσωμάτωση των μικρής εμβέλειας αλληλεπιδράσεων στα μοντέλα που περιγράφουν την διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνα θα μπορούσε να αλλάξει την ερμηνεία των πειραματικών δεδομένων σχετικά με αυτή την ασύλληπτη – μέχρι στιγμής – διάσπαση.

Η παρατήρηση της πυρηνικής διαδικασίας που ονομάζεται διπλή βήτα διάσπαση χωρίς εκπομπή νετρίνων μπορεί να βοηθήσει τους φυσικούς να κατανοήσουν τι δίνει μάζα στα νετρίνα και γιατί στο σύμπαν μας η ύλη κυριαρχεί της αντιύλης. Ενώ αυτή η υποθετική διάσπαση δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ, τα πειράματα έχουν θέσει περιορισμούς στο μέγιστο ρυθμό με τον οποίο θα μπορούσε να πραγματοποιείται.

Ο Vincenzo Cirigliano του Εθνικού Εργαστηρίου του Los Alamos στο Νέο Μεξικό και οι συνεργάτες του, δείχνουν ότι οι παλαιότεροι υπολογισμοί της διπλής βήτα διάσπασης χωρίς νετρίνα πιθανόν να έχουν αγνοήσει μια συνεισφορά που είναι κρίσιμη στην ερμηνεία των πειραματικών δεδομένων.

Τα πειράματα που ψάχνουν για τη διάσπαση β χωρίς νετρίνα σε διάφορα ισότοπα έχουν οριοθετήσει τον χρόνο ημιζωής τους να είναι μεγαλύτερος από 1025 χρόνια. Αυτά τα όρια στον χρόνο ημίσειας ζωής, με τη σειρά τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ώστε να πάρουμε πληροφορίες για τις μάζες των νετρίνων. Όμως αυτοί οι υπολογισμοί εξαρτώνται από τα υπολογισθέντα πλάτη των μεταβάσεων μεταξύ των πυρηνικών καταστάσεων που εμπλέκονται στην διάσπαση.

Ο Cirigliano και οι συνεργάτες του δείχνουν ότι για να είναι αξιόπιστοι οι υπολογισμοί πλατών θα πρέπει να περιλαμβάνουν και την συνεισφορά λόγω αλληλεπιδράσεων μικρού εύρους περιοχές (μικρότερο από 1 femtometer = 10−15 m). Προηγούμενες μελέτες είχαν συμπεριλάβει μόνο συνεισφορές μεγαλύτερης εμβέλειας, έως και μερικών femtometers. Η συμβολή μικρής εμβέλειας δημιουργεί ένα πλάτος μετάβασης που μπορεί να είναι τόσο μεγάλο όσο αυτό που υπολογίζεται με βάση μόνο την συνιστώσα μεγάλης εμβέλειας. Οι συνιστώσες μικρής και μεγάλης εμβέλειας θα μπορούσαν να προστεθούν και να καταστήσουν πιο πιθανή την διάσπαση χωρίς νετρίνα ή θα μπορούσαν να ακυρωθούν κάνοντας το φαινόμενο λιγότερο πιθανό. Αν και απαιτείται περισσότερη δουλειά για τον προσδιορισμό του προσήμου και του μεγέθους της συνιστώσας μικρής εμβέλειας, οι αρχικές εκτιμήσεις των ερευνητών δείχνουν ότι θα μπορούσε να επηρεάσει σημαντικά τις ιδιότητες της μάζας των νετρίνων που προέρχονται από πειράματα διπλής διάσπασης βήτα.

πηγή: https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.120.202001 – physicsgg.me

Ετικέτα: