Podwójny bezneutrinowy rozpad beta

Z Wikipedii

W 1939 roku Wolfgang Furry zaproponował istnienie podwójnego rozpadu beta bez emisji neutrin. W procesie tym, dwa neutrony przemieniałyby się w dwa protony, z emisją dwóch elektronów, ale bez emisji żadnych neutrin. Proces ten mógłby jednak zachodzić wtedy gdyby neutrina miały inne własności niż w Modelu Standardowym (MS), gdyż istnienie procesu, łamiącego zasadę zachowania liczby leptonowej jest przez (MS) zakazane.

Dwa warunkami muszą być spełnione aby (ββ)_0ν mógł zajść:

• Neutrina posiadają niezerową masę
• Neutrina są cząstkami Majorany, co oznacza tyle, że neutrino jest swoją antycząstką

W MS rozpad (ββ)_0ν zajść nie może gdyż:

masa neutrin jest równa zeru, neutrina są cząstkami Diraca, czyli neutrina i antyneutrina są rozróżnialne, oddziałują poprzez prądy lewoskrętne, wtedy neutrina są produkowane jako lewoskrętne, a antyneutrina jako prawoskrętne.

Antyneutrino wyprodukowane podczas rozpadu jednego z neutronów powinno zostać pochłonięte przez cząstkę bozon W─ wyemitowaną przez drugi z neutronów. Zakładamy, że emitowane antyneutrino jest prawoskrętne. (Jego pęd i spin skierowane są tak samo). Aby mogło być pochłonięte przez W─ z drugiego neutronu, musiałoby być lewoskrętne, (czyli pęd i spin cząstki powinny mieć przeciwny zwrot). Gdyby neutrina były bezmasowe, tak jak zakłada MS, nie ma żadnej możliwości zmiany skrętności neutrina. Z tego widać, że przy założeniach MS podwójny bezneutrinowy rozpad beta nie zajdzie.

Wykraczamy poza MS i przyjmujemy niezerową masą neutrin

pozostajemy przy założeniu, że neutrino jest cząstką Diraca, oraz bierzemy pod uwagę tzw. prądy prawe, czyli neutrina będą prawoskrętne, a antyneutrina lewoskrętne.

Przy tych założeniach jednak masa efektywna neutrina będzie równa zero. Czas życia jądra zależy odwrotnie proporcjonalnie od masy. Jeżeli masa efektywna neutrina jest równa zero, wtedy wyrażenie po prawej stronie jest równe zero. Jeżeli tak, to czas życia jądra zmierza do nieskończoności. Gamma we wzorze to prawdopodobieństwo, że cząstka może się rozpaść. Widać, że dla neutrin Diraca proces ten nie będzie możliwy, mimo iż w tym przypadku „pozbywamy” się problemu ze skrętnością emitowanego antyneutrina.

Zakładamy, że neutrina maja naturę Majorany, czyli neutrino i antyneutrino są nierozróżnialne (są tą samą cząstką).

W tym przypadku nie musimy brać pod uwagę rodzaju prądów opisujących oddziaływania. Jeżeli neutrino ma masę i jest cząstką Majorany to wystarczy aby proces podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta miał miejsce. Choć neutrino będzie głównie emitowane jako lewoskrętne to istnieje też szansa, że czasami zostanie wyemitowane jako prawoskrętne, co w rezultacie spowoduje, że będzie mogło zostać pochłonięte przez drugi bozon W─.

Proces podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta jest jedynym realnym doświadczeniem, który może potwierdzić naturę Majorany neutrin. Potwierdzenie tego faktu byłoby dużym krokiem na drodze uogólniania Modelu Standardowego cząstek elementarnych.

Zobacz także: rozpad beta, podwójny rozpad beta