Суббета-распад атомных ядер¶

Суббета (суббета-распад) — редкий тип радиоактивного распада атомных ядер, при котором ядро испускает два электрона и два антинейтрино (двойной бета-распад), но без сопровождения обычного бета-распада; в более узком и распространённом значении термин обозначает двойной бета-распад с испусканием двух нейтрино (2νββ) либо его безнейтринную модификацию (0νββ). Явление относится к слабому взаимодействию и представляет интерес для физики нейтрино и ядерной физики.

¶Определение и терминология

В научной литературе «суббета» не является строгим международным термином: в англоязычных источниках используются обозначения double beta decay (двойной бета-распад) и neutrinoless double beta decay (безнейтринный двойной бета-распад). Русское сокращение «суббета» встречается преимущественно в переводной и учебной литературе как калька с приставки sub- в значении «почти бета», поскольку энергетический спектр и кинематика процесса близки к обычному бета-распаду, но отличаются удвоением числа испускаемых частиц.

¶Физическая сущность

При обычном бета-распаде нейтрон в ядре превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

n → p + e⁻ + ν̄ₑ

В некоторых ядрах такое превращение энергетически запрещено: ядро с чётным числом нейтронов и протонов оказывается стабильнее соседних нечётно-нечётных изобар. Тогда реализуется двухступенчатый виртуальный процесс, при котором заряд ядра увеличивается сразу на две единицы:

(A, Z) → (A, Z+2) + 2e⁻ + 2ν̄ₑ

Такой процесс называют двойным бета-распадом. Если нейтрино являются майорановскими частицами (тождественными своим античастицам), возможен безнейтринный вариант:

(A, Z) → (A, Z+2) + 2e⁻

В этом случае вся энергия распада уносится двумя электронами, а суммарный спектр имеет вид монохроматической линии, а не непрерывного распределения.

¶История изучения

Идея двойного бета-распада была высказана в 1935 году Марией Гёпперт-Майер, а теоретическое описание дано в 1937 году Джулианом Швингером и независимо Этторе Майораной, предложившим майорановскую модель нейтрино. В 1950 году Уэнделл Фьюри и коллеги впервые наблюдали процесс в ядре ¹³⁰Te с периодом полураспада порядка 10²¹ лет. Современные эксперименты — GERDA, MAJORANA, CUORE, KamLAND-Zen, EXO-200, NEMO-3 — нацелены на поиск безнейтринного канала.

¶Классификация

¶Ядра-кандидаты

Наиболее изученные изотопы: ⁴⁸Ca, ⁷⁶Ge, ⁸²Se, ⁹⁶Zr, ¹⁰⁰Mo, ¹¹⁶Cd, ¹³⁰Te, ¹³⁶Xe, ¹⁵⁰Nd. Ключевые требования — высокое Q-значение (выше 2 МэВ), большое содержание изотопа и низкий радиационный фон. Например, для ⁷⁶Ge Q = 2039 кэВ, для ¹³⁶Xe Q = 2458 кэВ.

¶Экспериментальные методы

Детекторы делятся на две группы:

• Источник = детектор: кристаллы германия (GERDA, MAJORANA), теллуриды (CUORE), ксеноновые TPC (KamLAND-Zen, EXO-200).
• Источник отделён от детектора: NEMO-3, SuperNEMO — позволяют восстановить траектории электронов.

Основная сложность — подавление фона от естественной радиоактивности, космических лучей и двухнейтринного канала, который является неустранимым фоном для 0νββ.

¶Значение для физики

Наблюдение безнейтринного двойного бета-распада стало бы прямым доказательством майорановской природы нейтрино, нарушило бы закон сохранения лептонного числа и указало бы на новую физику за пределами Стандартной модели. Кроме того, такие данные помогли бы объяснить барионную асимметрию Вселенной через лептогенезис. Двухнейтринный канал, в свою очередь, служит тестом ядерных моделей и матричных элементов.

¶Открытые вопросы

До настоящего времени безнейтринный распад не зарегистрирован; установлены лишь нижние пределы на период полураспада (для ¹³⁶Xe — порядка 10²⁶ лет). Ведутся работы по увеличению массы изотопа до сотен килограммов и тонн, снижению фона и улучшению энергетического разрешения. Остаются неопределёнными ядерные матричные элементы, что затрудняет сравнение результатов разных экспериментов.