Empuñadura electrónica doble

La captura de electrones dobles (2 ε - captura, εε -captura , ECEC -decaimiento) es uno de los tipos de decaimiento doble beta de los núcleos atómicos , en el que el núcleo captura dos electrones de la capa de electrones atómicos. Si se especifica la capa de electrones ( K , L , M , etc.), de la que se capturan los electrones, entonces se habla de doble captura de K , etc. Las predicciones teóricas indican una probabilidad mayor, en igualdad de condiciones, de 2 K - captura que captura de caparazones superiores; también es posible capturar dos electrones de diferentes capas de electrones, por ejemplo K y L.

Características de la descomposición

Hay dos modos de captura de doble electrón, dos neutrinos y uno sin neutrinos. En el caso de la desintegración de dos neutrinos, permitida por las leyes de conservación conocidas, el núcleo captura dos electrones orbitales y emite dos neutrinos electrónicos . En este caso, la carga del núcleo disminuye en dos unidades (dos protones se convierten en dos neutrones ). Si la desintegración ocurre en el estado fundamental del núcleo hijo, entonces casi toda la energía liberada en la desintegración (igual, hasta un factor c 2 , a la diferencia en las masas de los átomos padre e hijo ) es arrastrada por el neutrino, con la excepción de parte de la energía gastada en crear vacantes en la capa de electrones.

En el caso de una hipotética captura de 2 ε sin neutrinos , que está prohibida por el modelo estándar y cambia el número de leptones en dos unidades, la mayor parte de la energía liberada se la lleva un cuanto gamma de bremsstrahlung interno o un electrón de conversión interno . . Durante la captura con la transición del núcleo no al suelo, sino al nivel excitado, también debe observarse una cascada de electrones de conversión/cuantos gamma, que acompañan la transición del núcleo excitado hijo al estado fundamental. Para la existencia de captura 2 ε sin neutrinos (así como para los modos sin neutrinos de todos los demás tipos de desintegración doble beta), es necesario que el neutrino electrónico se mezcle con el antineutrino electrónico a través de uno u otro mecanismo, o, como afirmación equivalente , que la masa Majorana del neutrino electrónico (parámetro que especifica la cantidad de esta mezcla) era distinta de cero. El principal mecanismo de captura de 2ε sin neutrinos considerado en la literatura es el intercambio de un neutrino Majorana masivo; sin embargo, también se han propuesto otros mecanismos: corrientes dextrógiras en interacción débil (esto requiere la presencia de un W supermasivo hipotético). -bosón , que asegura la interacción débil de las corrientes dextrógiras), supersimetría con violación de la paridad R , intercambio de leptoquarks , etc. Por lo tanto, la búsqueda de captura 2ε sin neutrinos permite obtener restricciones en los parámetros de una serie de teorías que introducen "nueva física" más allá del Modelo Estándar.

Las transiciones 2ε, según la teoría, se realzan resonantemente si la masa del átomo padre es lo suficientemente cercana a la del átomo hijo con el núcleo en el estado fundamental o excitado y dos electrones vacantes en la capa. Varios isótopos (por ejemplo, gadolinio-152 en el caso de la captura de KL I ) satisfacen aproximadamente esta condición. Varios trabajos experimentales están dedicados a la búsqueda de transiciones resonantes y la medición precisa de la diferencia de masa de los átomos involucrados en la captura 2ε utilizando trampas de Penning .

En todos los modos de captura de doble electrón, se forman dos (y en el caso de emisión de un electrón de conversión, tres) vacantes en las capas inferiores de electrones del átomo. Estas vacantes se llenan rápidamente con electrones de capas superiores, y la energía liberada durante esta transición es transportada por electrones Auger y/o rayos X característicos .

Si la energía de desintegración disponible (la diferencia entre las masas de los átomos padre e hijo) excede el doble de la masa del electrón (2 m e c 2 ≈ 1022 keV) , entonces la desintegración del doble electrón puede ir acompañada de un proceso de doble beta competitivo. - captura de electrones con emisión de positrones. Si la energía de desintegración disponible excede cuatro veces la masa del electrón (4 m e c 2 ≈ 2044 keV) , se activa otro canal de desintegración competidor: la desintegración de doble positrón . De todos los nucleidos que existen en la naturaleza, solo seis tienen una energía de desintegración disponible superior a 2044 keV y, por lo tanto, se permiten los tres tipos de desintegración doble beta con una disminución de la carga nuclear.

Observaciones experimentales

En contraste con la desintegración beta doble de dos neutrinos con un aumento en la carga nuclear, donde la desintegración ya se ha identificado de manera confiable para más de 10 isótopos, no hay observaciones experimentales de desintegración de doble electrón reconocidas inequívocamente por la comunidad en los dos -neutrino, y mucho menos en el modo sin neutrinos. Sin embargo, hay una serie de indicaciones de la observación de la captura de doble electrón que necesitan una confirmación independiente [1] . El análisis geoquímico de muestras antiguas de barita (BaSO 4 ) de 170 millones de años indica la descomposición del isótopo bario-130 causada por la captura de doble electrón

con una vida media T 1/2 = (2.2 ± 0.5)⋅10 21 años. [2] . En este caso, el producto de descomposición, xenón -130, se acumula en la muestra. Un exceso de xenón-130 en relación con otros isótopos de xenón indica la presencia de un proceso que conduce a su aparición. Aunque el método geoquímico no permite distinguir entre un modo de desintegración de dos neutrinos y uno sin neutrinos, se supone que el exceso observado de xenón-130 se debe a la desintegración permitida de dos neutrinos. Sin embargo, este resultado contradice tanto el trabajo anterior [3] , que estableció un límite inferior para la vida media de 4⋅10 21 años, como el posterior [4] , en el que se utilizó una muestra de barita de 3,5 Ga y se fijó tres veces más corta que en el primer trabajo [2] , la vida media de 130 Ba: T 1/2 = (6,0 ± 1,1) × 10 20 años. Debido a las grandes discrepancias en los resultados, que pueden ser causadas por algún proceso de fondo no explicado, la existencia de captura de doble electrón 130 Ba aún no se considera probada de manera confiable.

En otro experimento [5] , se estudió una muestra de criptón gaseoso enriquecido en criptón-78 en una cámara proporcional de bajo fondo ubicada en el Observatorio de Neutrinos de Baksan a una profundidad de varios kilómetros bajo tierra. Se encontró un pico en el espectro del detector acumulado durante 8400 horas , lo que puede interpretarse como una manifestación de captura doble K de dos neutrinos.

con una vida media T 1/2 = (9.2+5,5
−2,6(est.) ± 1,3 (sist.)) × 10 21 años.

En 2019, se descubrió una captura de doble electrón de xenón-124 [6] con una vida media T 1/2 = (1,8 ± 0,5 (stat.) ± 0,1 (sys.)) × 10 22 años.

Notas

1. ↑ Los experimentos que encontraron indicios de la presencia de un efecto, que luego fueron refutados en experimentos más sensibles, no se consideran aquí.
2. ↑ 1 2 A. P. Meshik, C. M. Hohenberg, O. V. Pravdivtseva y Ya. S. Kapusta, Phys. Rvdo. C 64 (2001) 035205. doi : 10.1103/PhysRevC.64.035205
3. ↑ AS Barabash, RR Saakyan. Límites experimentales en los procesos 2β + , Kβ + y 2K para 130 Ba y en la captura de 2K para 132 Ba // Phys. Átomo. Núcleo - 1996. - vol. 59. - Pág. 179-184.
4. ↑ M. Pujol, B. Marty, P. Burnard, P. Philippot. Xenón en barita arcaica: descomposición débil de 130 Ba, fraccionamiento isotópico dependiente de la masa e implicación para la formación de barita // Geochimica et Cosmochimica Acta. - 2009. - Vol. 73. - Pág. 6834-6846. -doi : 10.1016/ j.gca.2009.08.002 .
5. ↑ Yu. M. Gavrilyuk, AM Gangapshev, VV Kazalov, VV Kuzminov, SI Panasenko, SS Ratkevich. Indicaciones de captura de 2ν2K en 78 Kr // Physical Review C. - 2013. - Vol. 87. - P. 035501. - doi : 10.1103/PhysRevC.87.035501 .
6. ↑ Aprile, E. et al. Observación de la captura de doble electrón de dos neutrinos en 124 Xe con XENON1T  (inglés)  // Nature  : revista. - 2019. - Vol. 568 . - Pág. 532-535 . -doi : 10.1038/ s41586-019-1124-4 .