Ядерные распады: 5. Двойной бета-распад

Три формы бета-распада: самый обычный (слева), очень редкий двойной (в центре) и безнейтринный двойной (справа) — до сих пор не обнаруженный, но очень важный для физики. Изображение из статьи E. Cartlidge, 2012. Neutrino physics: Beta test

В природе существуют и более экзотические формы радиоактивности. Одна из них — двойной бета-распад, процесс, в котором сразу два нейтрона превращаются в два протона, а из ядра вылетает сразу два электрона в сопровождении пары нейтрино. Раз однократного бета-распада приходится ждать довольно долго, то можно догадаться, что синхронная реализация двух бета-распадов в одном ядре — это еще менее вероятный процесс. И поэтому если ядро умеет распадаться только за счет двойного бета-распада и никак иначе, то его время жизни будет огромным.

И в самом деле, периоды полураспада тут получаются намного превышающими не только человеческие масштабы, но даже и время существования Вселенной. Среди тех изотопов, у которых удалось измерить время жизни, рекордсменом является изотоп теллура-128 с периодом полураспада 2,2·10²⁴ лет. Вдумайтесь только — время жизни этого ядра на четырнадцать (!) порядков превышает возраст Вселенной. Кстати, когда речь заходит о таких числах, на ум может прийти вполне естественный вопрос: как вообще физики умудряются измерять времена, превышающие (причем — на порядки!) время существования всей Вселенной? Про это рассказывается на нашей страничке, посвященной сверхбольшим временам.

Вообще, к двойному бета-распаду экстремально долгоживущих изотопов приковано такое пристальное внимание не просто так. Дело в том, что если ядро может распадаться с испусканием двух электронов и двух антинейтрино, то оно могло бы распадаться и без нейтрино вообще. Этот вариант называется двойной безнейтринный бета-распад (сокращение: ββ0ν), и именно его поиску посвящены многие специальные эксперименты. Но только — внимание! — такой процесс возможен только в том случае, если нейтрино обладают поразительным свойством: нейтрино и антинейтрино — это не разные, а одна и та же частица. Поэтому поиск ββ0ν-распада — это попытка физиков узнать некоторую сокровенную информацию о свойствах нейтрино, самых загадочных из всех известных частиц. Вот так неожиданно ядерная физика может помогать и физике элементарных частиц.

Схема установки GERDA, с помощью которой физики надеются обнаружить гипотетический сверхредкий безнейтринный двойной бета-распад ядра германия-76. Изображение с сайта mpi-hd.mpg.de/gerda

В начале 2000-х годов одна из исследовательских групп сенсационно объявила о регистрации ββ0ν-распада ядер германия-76 с периодом полураспада 2·10²⁵ лет. Это сообщение вызвало огромный всплеск интереса, который, однако, потом притих: другие эксперименты этот результат не подтвердили. Тем не менее, поиски этого распада ведутся — уж слишком важен он для современной физики нейтрино. Недавно эксперимент GERDA установил ограничение снизу на время жизни этого ядра: если такой двойной безнейтринный бета-распад и идет в германии-76, период полураспада будет составлять как минимум 3·10²⁵ лет.