Bezneutrinowy rozpad beta

Jeśli neutrino występuje w odmianie zawsze lewoskrętnej, zaś anty-neutrino prawoskrętnej, to czy uzasadnione jest wprowadzanie dwu różnych obiektów tzn. neutrina i anty-neutrina? Może jest tylko jedna cząstka - neutrino, występująca w dwu odmianach lewo- i prawoskrętnej. W latach 30-tych Majorana podał hipotezę, zgodnie z którą nie istnieje różnica pomiędzy neutrinem i anty-neutrinem. Hipoteza ta stała w opozycji do hipotezy Diraca, w której obie cząstki są odrębnymi stanami. Okazuje się, że obie hipotezy można rozróżnić i wykazać słuszność jednej z nich tylko w przypadku, w którym neutrina posiadają niezerową masę. W takim przypadku bowiem istnieje niewielkie prawdopodobieństwo zmiany obiektu prawoskrętnego w lewoskrętny i odwrotnie. Jeśli udałoby się potwierdzić teorię Majorany, to udowodniony zostałby fakt posiadania masy przez neutrino.


Podwójny rozpad beta jest rozpadem promieniotwórczym, w którym w tym samym momencie następuje przemiana dwu neutronów w dwa protony. W wyniku rozpadu z jądra emitowane są dwa elektrony oraz dwa anty-neutrina elektronowe. Niektóre jądra atomowe nie mogą rozpadać się w pojedynczym rozpadzie beta ze względu na zasadę zachowania energii, zaś podwójny rozpad beta jest dla nich energetycznie dozwolony.

Podwójny rozpad beta

Załóżmy teraz, że neutrina elektronowe są obdarzone niezerową masą oraz iż prawdziwa jest koncepcja Majorany mówiąca, że neutrino da się utożsamić z anty-neutrinem. Wtedy podwójny rozpad beta mógłby zachodzić, oprócz sposobu przedstawionego powyżej, w następujący sposób. Najpierw jeden neutron rozpada się emitując elektron oraz neutrino prawoskrętne (w teorii Diraca byłoby to anty-neutrino). Jeśli neutrino to obdarzone jest niezerową masą, istnieje niewielkie prawdopodobieństwo, że po emisji zmieni ono swoją skrętność na lewą i będzie mogło zostać zaabsorbowane przez jeden z pozostałych w jądrze neutronów. Absorpcja lewoskrętnego neutrina powoduje rozpad neutronu na proton i elektron. W ostatecznym rozrachunku dwa neutrony zamieniają się w dwa protony (zupełnie tak jak w normalnym podwójnym rozpadzie beta), z jądra natomiast wylatują jedynie dwa elektrony. Neutrino emitowane w jednym z rozpadów jest absorbowane w drugim. Tego typu podwójny rozpad beta nazywa się rozpadem bezneutrinowym. Może on zachodzić tylko i wyłącznie w przypadku, gdy neutrino jest cząstką Majorany. Gdyby neutrino było cząstka Diraca (tzn. neutrino i anty-neutrino byłyby odrębnymi obiektami), to wyemitowane w rozpadzie jednego neutronu anty-neutrino nie mogłoby zostać zaabsorbowane przez inny neutron - neutron może dokonać absorpcji jedynie neutrina, a nie anty-neutrina. Co więcej bezneutrinowy podwójny rozpad beta może zachodzić tylko, gdy neutrina obdarzone są niezerową masą. Im masa większa, tym rozpady tego typu zachodzić będą częściej. Wykrycie podwójnego rozpadu beta byłoby potwierdzeniem hipotezy Majorany oraz dowodem na niezerową masę neutrina. Gdyby udało się zmierzyć jak często taki rozpad zachodzi, można by wyznaczyć wartość owej masy. Jak doświadczalnie odróżnić zwykły podwójny rozpad beta od podwójnego rozpadu beta bezneutrinowego?

Podwójny bezneutrinowy rozpad beta

W zwykłym podwójnym rozpadzie beta emitowane są z jądra cztery cząstki - dwa elektrony i dwa neutrina. Jeśli zmierzymy w różnych rozpadach sumaryczną energię owych dwu elektronów, to nie będzie ona za każdym razem taka sama (podobnie jak w pojedynczym rozpadzie beta energia elektronu nie była ustalona, gdyż dostępna energia była dzielona pomiędzy elektron i neutrino). W podwójnym bezneutrinowym rozpadzie beta emitowane są z jądra jedynie dwa elektrony. W tym wypadku, mierząc ich sumaryczną energię zawsze powinniśmy otrzymać tę samą wartość (to tak jakby jądro rozpadało się na dwa obiekty - jądro końcowe oraz układ elektron-elektron, a w rozpadach na dwa obiekty ich energie i pędy są z góry ustalone).

Spektrum energii z podwójnego rozpadu beta

Poszukiwanie bezneutrinowego podwójnego rozpadu beta polega na obserwacji próbki jąder, które mają możliwość rozpadania się w podwójnym rozpadzie beta. Całkowita energia unoszona przez cząstki emitowane w takim rozpadzie jest znana. Jeśli zdarzy się podwójny bezneutrinowy rozpad, sumaryczna energia wyemitowanych elektronów będzie równa owej całkowitej energii. Gdy elektronom towarzyszą neutrina, sumaryczna energia elektronów będzie niższa od owej całkowitej energii. Pomiar polega więc na szukaniu takich rozpadów, w których energia elektronów jest dokładnie równa całkowitej energii wyzwalanej w rozpadzie.

Detektor NEMO - poszukowanie neutrin Majorany

Pomimo licznych eksperymentów do tej pory nie udało się zaobserwować bezneutrinowego podwójnego rozpadu beta (ostatnio w jednym z eksperymentów pojawił się słaby sygnał, który mógłby świadczyć o zachodzeniu tego rozpadu, jednak póki co wynik ten nie został potwierdzony). Oznacza to, że neutrina są cząstkami Diraca lub są one cząstkami Majorany i ich masa jest bardzo mała. W tym drugim przypadku wyniki eksperymentalne dają się przełożyć na górne ograniczenie masy neutrin. Dla neutrin elektronowych (a z takimi mamy do czynienia w rozpadach promieniotwórczych) ograniczenie to wynosi 1 eV. Innymi słowy, jeśli neutrina są cząstkami Majorany, to aby wyjaśnić negatywny wynik eksperymentów, w których poszukiwano podwójnego rozpadu beta, masa ich musi być mniejsza od 1 eV.