Dubbla elektroniska grepp

Dubbel elektroninfångning (2 ε - capture, εε -capture, ECEC-decay) är en av typerna av dubbel beta-nedbrytning av atomkärnor , där kärnan fångar två elektroner från atomelektronskalet. Om elektronskalet är specificerat ( K , L , M , etc.), från vilket elektroner fångas, så talar man om dubbel K -infångning etc. Teoretiska förutsägelser indikerar en högre, allt annat lika, sannolikhet på 2 K - fånga än fånga från högre skal; det är också möjligt att fånga två elektroner från olika elektronskal, till exempel K och L. _

Karakteristika för förfall

Det finns två lägen för dubbel elektroninfångning, två-neutrino och en utan neutrino. I fallet med två-neutrino-sönderfall, tillåtet av kända bevarandelagar, fångar kärnan två orbitala elektroner och avger två elektronneutriner . I detta fall minskar kärnans laddning med två enheter (två protoner förvandlas till två neutroner ). Om sönderfallet sker till grundtillståndet för dotterkärnan, så förs nästan all energi som frigörs i sönderfallet (lika, upp till en faktor c 2 , med skillnaden i massorna av förälder- och dotteratomerna ) bort av neutrinon, med undantag för en del av energin som går åt till att skapa vakanser i elektronskalet.

I fallet med en hypotetisk neutrinolös 2 ε -infångning, som är förbjuden av standardmodellen och ändrar leptontalet med två enheter, förs huvuddelen av den frigjorda energin bort av ett gammakvantum av intern bremsstrahlung eller en intern omvandlingselektron . Under infångning med övergången av kärnan inte till marken, utan till den exciterade nivån, bör en kaskad av gammakvanta / omvandlingselektroner också observeras, som åtföljer övergången av den exciterade dotterkärnan till grundtillståndet. För existensen av neutrinolös 2 ε- infångning (såväl som för neutrinolösa lägen för alla andra typer av dubbel beta-sönderfall), är det nödvändigt att elektronneutrinot blandas med elektronen antineutrino genom en eller annan mekanism, eller som ett likvärdigt uttalande , att majoranamassan för elektronneutrino (parameter, som anger mängden av denna blandning) var icke-noll. Huvudmekanismen för neutrinolös 2ε-infångning som beaktas i litteraturen är utbytet av en massiv Majorana neutrino, men ett antal andra mekanismer har också föreslagits - högerhänta strömmar i svag interaktion (detta kräver närvaron av en hypotetisk supermassiv W -boson , som säkerställer den svaga interaktionen av högerhänta strömmar), supersymmetri med brott mot R- paritet , leptoquark- utbyte , etc. Således gör sökandet efter neutrinolös 2ε-infångning det möjligt att få begränsningar på parametrarna för ett antal teorier som introducerar "ny fysik" bortom Standardmodellen.

2ε-övergångar, enligt teorin, förstärks resonant om massan av moderatomen är tillräckligt nära dotteratomens massa med kärnan i marken eller exciterat tillstånd och två elektronvakanser i skalet. Flera isotoper (till exempel gadolinium-152 i fallet med KL I - infångning) uppfyller ungefär detta villkor. Ett antal experimentella arbeten ägnas åt sökandet efter resonansövergångar och den exakta mätningen av massskillnaden för atomer involverade i 2ε-fångst med Penning-fällor .

I alla lägen för dubbelelektroninfångning bildas två (och i fallet med emission av en omvandlingselektron, tre) vakanser på atomens nedre elektronskal. Dessa vakanser fylls snabbt med elektroner från högre skal, och energin som frigörs under denna övergång förs bort av Auger-elektroner och/eller karakteristiska röntgenstrålar .

Om den tillgängliga sönderfallsenergin (skillnaden mellan massorna av förälder- och dotteratomerna) överstiger två gånger elektronens massa (2 m e c 2 ≈ 1022 keV) , då kan dubbla elektronsönderfallet åtföljas av en konkurrerande dubbel beta-process - elektroninfångning med positronemission. Om den tillgängliga avklingningsenergin överstiger fyra gånger elektronens massa (4 m e c 2 ≈ 2044 keV) aktiveras en annan konkurrerande avklingningskanal - dubbel positronsönderfall . Av alla nuklider som finns i naturen har endast sex en tillgänglig sönderfallsenergi som överstiger 2044 keV och därför är alla tre typerna av dubbel beta-sönderfall med en minskning av kärnladdningen tillåtna.

Experimentella observationer

I motsats till två-neutrino dubbla beta-sönderfall med en ökning av kärnladdningen, där sönderfallet redan har identifierats på ett tillförlitligt sätt för mer än 10 isotoper, finns det inga experimentella observationer av dubbel elektronsönderfall som entydigt erkänns av samhället vare sig i de två -neutrino, än mindre i det neutrinolösa läget. Det finns dock ett antal indikationer på observation av dubbel elektroninfångning som behöver oberoende bekräftelse [1] . Geokemisk analys av forntida prover av baryt (BaSO 4 ) med en ålder av 170 miljoner år indikerar sönderfallet av isotopen barium-130 orsakat av dubbel elektronfångning

med en halveringstid T 1/2 = (2,2 ± 0,5)⋅10 21 år. [2] . I detta fall ackumuleras sönderfallsprodukten, xenon -130, i provet. Ett överskott av xenon-130 i förhållande till andra xenonisotoper indikerar närvaron av en process som leder till dess utseende. Även om den geokemiska metoden inte tillåter att man kan skilja mellan ett två-neutrino- och ett neutrinofritt sönderfallsläge, antas det att det observerade överskottet av xenon-130 beror på två-neutrino, tillåtet sönderfall. Detta resultat motsäger dock både det tidigare arbetet [3] , som fastställde en lägre gräns för halveringstiden vid 4⋅10 21 år, och det senare [4] , där ett 3,5 Ga barytprov användes och satte tre gånger kortare än i det första arbetet [2] , halveringstiden på 130 Ba: T 1/2 = (6,0 ± 1,1) × 10 20 år. På grund av de stora skillnaderna i resultaten, som kan orsakas av någon oförklarad bakgrundsprocess, anses förekomsten av dubbelelektroninfångning 130 Ba ännu inte vara tillförlitligt bevisad.

I ett annat experiment [5] studerades ett prov av gasformigt krypton berikat med krypton-78 i en proportionell kammare med låg bakgrund belägen vid Baksan Neutrino Observatory på flera kilometers djup under jorden. En topp hittades i detektorspektrumet ackumulerat under 8400 timmar , vilket kan tolkas som en manifestation av två-neutrino dubbel K-infångning

med en halveringstid T 1/2 = (9,2+5,5
−2,6(stat.) ± 1,3 (system)) × 10 21 år.

År 2019 upptäcktes en dubbelelektroninfångning av xenon-124 [6] med en halveringstid T 1/2 = (1,8 ± 0,5 (stat.) ± 0,1 (sys.)) × 10 22 år.

Anteckningar

  1. ↑ Experiment som fann indikationer på förekomsten av en effekt, som senare motbevisades i känsligare experiment, tas inte upp här.
  2. ↑ 1 2 A. P. Meshik, C.M. Hohenberg, O.V. Pravdivtseva och Ya. S. Kapusta, Phys. Varv. C 64 (2001) 035205. doi : 10.1103/PhysRevC.64.035205
  3. ↑ AS Barabash, RR Saakyan. Experimentella gränser för 2β + , Kβ + och 2K processer för 130 Ba och på 2K infångning för 132 Ba // Phys. Atom. Nucl. - 1996. - Vol. 59. - S. 179-184.
  4. ↑ M. Pujol, B. Marty, P. Burnard, P. Philippot. Xenon i arkeisk baryt: Svagt sönderfall av 130 Ba, massberoende isotopfraktionering och implikation för barytbildning // Geochimica et Cosmochimica Acta. - 2009. - Vol. 73. - P. 6834-6846. - doi : 10.1016/j.gca.2009.08.002 .
  5. ↑ Yu. M. Gavrilyuk, AM Gangapshev, VV Kazalov, VV Kuzminov, SI Panasenko, SS Ratkevich. Indikationer på 2ν2K-fångst i 78 Kr // Physical Review C. - 2013. - Vol. 87. - P. 035501. - doi : 10.1103/PhysRevC.87.035501 .
  6. ↑ Aprile, E. et al. Observation av två-neutrino dubbelelektroninfångning i 124 Xe med XENON1T  (engelska)  // Nature  : journal. - 2019. - Vol. 568 . - S. 532-535 . - doi : 10.1038/s41586-019-1124-4 .