Doppio decadimento beta

Il doppio decadimento beta è un decadimento radioattivo raro in cui un nucleo atomico decade in un altro con stesso numero di massa.

Il doppio decadimento beta può essere interpretato come il verificarsi di due decadimenti beta contemporanei. Possono essere distinti quattro tipi di doppi decadimenti beta: due decadimenti $\beta ^{-}$, due decadimenti $\beta ^{+}$, due catture elettroniche, una cattura elettronica ed un decadimento $\beta ^{+}$.

Ad esempio, nel doppio decadimento $\beta ^{-}$, due neutroni del nucleo sono convertiti in due protoni, con l'emissione di due elettroni e due antineutrini. Il processo fu osservato per la prima volta nel 1986. È il processo di decadimento più raro conosciuto; è stato osservato per soli 10 isotopi, e tutti avevano una vita media maggiore di 10¹⁹ anni.

Per alcuni nuclei, il processo elementare è interpretabile come conversione di due protoni in due neutroni, l'emissione di due neutrini elettronici e l'assorbimento di due elettroni atomici (doppia cattura elettronica). Se la differenza di massa tra i genitori e i figli è maggiore di 1022 keV (due volte la massa dell'elettrone), un altro ramo del processo è possibile, con la cattura di un elettrone atomico e l'emissione di due positroni. Inoltre, se la differenza di massa è maggiore di 2044 keV (quattro volte l'elettrone), un terzo ramo si apre, con l'emissione di due positroni. Tutti questi tipi di decadimenti beta sono stati predetti, ma mai osservati.

Doppio decadimento beta senza neutrini

Diagramma di Feynman di un doppio decadimento beta in assenza di neutrini, con due neutroni che decadono in due protoni. I soli prodotti emessi in questo processo sono due elettroni. Questo può accadere se il neutrino e l'antineutrino sono la stessa particella (cioè un neutrino di Majorana). In tal caso lo stesso neutrino può essere emesso e assorbito all'interno del nucleo. Nel doppio decadimento beta convenzionale vengono emessi dal nucleo due elettroni e due antineutrini, uno da ogni vertice con un bosone W. La rivelazione di un doppio decadimento beta sarebbe quindi una dimostrazione che i neutrini sono particelle di Majorana.

I processi descritti prima sono conosciuti come doppio decadimento beta con neutrini, in quanto sono emessi due neutrini (o antineutrini). Tuttavia, qualora neutrino ed antineutrino non fossero particelle realmente distinte, cioè se fossero particelle di Majorana, sarebbe possibile osservare un doppio decadimento beta senza neutrini. Nel doppio decadimento beta senza neutrini, l'antineutrino emesso è assorbito immediatamente da un altro nucleone del nucleo. Quindi, la somma delle energie totali dei due elettroni è esattamente pari alla differenza dell'energia di legame tra il nucleo iniziale e quello finale.

Esistono diversi esperimenti in corso per lo studio del doppio decadimento beta senza neutrini. La sua scoperta indicherebbe che il neutrino e l'antineutrino sono la stessa particella. Un modello teorico, attualmente tra i migliori, che possa descrivere questo fenomeno è quello sviluppato da Majorana.

Uno degli esperimenti per lo studio del doppio decadimento beta è stato NEMO-3. Questo esperimento è stato condotto in un laboratorio sotterraneo all'interno del traforo del Frejus, nei pressi di Modane. La presa dati è iniziata nel gennaio 2003 ed è terminata nel gennaio del 2011. In questi otto anni non è stato osservato alcun doppio decadimento beta in assenza di neutrini. L'esperimento NEMO-3 sarà seguito dal "SuperNEMO", un esperimento analogo ma condotto con apparecchiature più potenti.

Nel novembre del 2010 è stato inaugurato in Italia l'esperimento GERDA. Anche questo esperimento ha come obiettivo la ricerca del doppio decadimento beta in assenza di neutrini. Durante la prima fase di raccolta dati dell'esperimento, iniziata a novembre 2011 e terminata a maggio 2015, non sono stati osservati eventi di doppio decadimento beta in assenza di neutrini Nel dicembre 2015 è iniziata la seconda fase della raccolta dati.

Voci correlate

• CUORE (esperimento)
• Doppia cattura elettronica
• Decadimento beta
• Neutrino