Doppio decadimento beta: differenze tra le versioni

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Il '''doppio decadimento beta''', o '''decadimento doppio beta''',<ref>{{Cita web|url=https://home.infn.it/it/news-3/news-infn-it-archivio/419-doppio-beta-nuovi-limiti-al-gran-sasso|titolo=DOPPIO BETA: NUOVI LIMITI AL GRAN SASSO|autore=cossi|sito=home.infn.it|lingua=it-it|accesso=2024-04-26}}</ref><ref name=":0">{{Cita web|url=https://static.sif.it/SIF/resources/public/files/congr20/ri/Nutini.pdf|titolo=Decadimento doppio beta|autore=Irene Nutini|sito=SIF - Società Italiana di Fisica}}</ref> (simbolo ''ββ'' o 2''β'') è un [[decadimento radioattivo]] molto raro<ref>{{Cita web|url=https://agenda.infn.it/event/19227/attachments/63662/76706/DEC-XENON1T-digangi.pdf|titolo=THE RAREST DECAY EVER OBSERVED|autore=Pietro di Gangi|sito=INFN}}</ref> in cui un [[nucleo atomico]] decade in un altro attraverso la trasformazione simultanea di due [[Neutrone|neutroni]] del suo nucleo in due [[Protone|protoni]], oppure viceversa.<ref name=":1">{{Cita web|url=https://static.sif.it/SIF/resources/public/files/congr20/ri/Nutini.pdf|titolo=Decadimento doppio beta|p=3}}</ref> Come per i [[Decadimento beta|decadimenti beta]] singoli, il [[numero di massa]] viene in tal modo conservato. L'idea della possibilità di questo decadimento fu proposta dalla fisica [[Maria Goeppert-Mayer]] nel 1935. Dopo vari tentativi nel corso degli anni il processo fu osservato per la prima volta con sufficiente certezza nel 1987 nel [[nuclide]] ⁸²[[Selenio|Se]] che in tal modo si trasforma in ⁸²[[Kripton|Kr]].<ref>{{Cita pubblicazione|nome=S. R.|cognome=Elliott|nome2=A. A.|cognome2=Hahn|nome3=M. K.|cognome3=Moe|data=1987-11-02|titolo=Direct evidence for two-neutrino double-beta decay in $^{82}\mathrm{Se}$|rivista=Physical Review Letters|volume=59|numero=18|pp=2020–2023|accesso=2024-04-26|doi=10.1103/PhysRevLett.59.2020|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.59.2020}}</ref>

Questa trasformazione nucleare è tra le più rare che si conoscano, è stata riscontrata in circa una ventina di nuclidi diversi e inoltre in questi casi si osservano vite medie che vanno da ~10¹⁸ anni a ~10²² – 10²⁴ anni<ref name=":0" /><ref>{{Cita pubblicazione|nome=A. S.|cognome=Barabash|data=2011-04-01|titolo=Experiment double beta decay: Historical review of 75 years of research|rivista=Physics of Atomic Nuclei|volume=74|numero=4|pp=603–613603-613|lingua=en|accesso=2024-04-26|doi=10.1134/S1063778811030070|url=https://doi.org/10.1134/S1063778811030070}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://elearning.unimib.it/pluginfile.php/1447918/mod_resource/content/8/5_Beta.pdf|titolo=Decadimenti Beta|p=39}}</ref> (per confronto, l'età stimata dell'Universo è dell'ordine di ~10¹⁰ anni).

In ogni doppio decadimento beta normale, che nel [[Modello standard]] è un processo permesso, ma del secondo ordine,<ref name=":1" /> la trasformazione nucleare è sempre accompagnata dall'emissione di due [[Antineutrino|(anti]]-)[[Neutrino|neutrini]]. ÈBasandosi sull'ipotesi di una natura differente del neutrino (neutrino di Majorana) è stato anche ipotizzato un tipo di doppio decadimento beta in violazione della conservazione del [[numero leptonico]],<ref>Cosa che non è prevista nel Modello standard.</ref> che vedrebbe realizzata la stessa trasformazione nucleare già vista, senza però l'emissione di neutrini, detto «doppio decadimento beta senza neutrini» (''vide infra'').<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Jouni|cognome=Suhonen|data=2005-04|titolo=Theory of double beta decay|rivista=Nuclear Physics A|volume=752|pp=53–6653-66|lingua=en|accesso=2024-04-26|doi=10.1016/j.nuclphysa.2005.02.027|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0375947405001521}}</ref>

== Doppio decadimento beta normale ==

Il doppio decadimento beta normale, indicato talvolta ''ββνν'' o anche ''ννββ'', può anche essere interpretato come il verificarsi di due decadimenti beta che avvengano però contemporaneamente.<ref>{{Cita pubblicazione|nome=H|cognome=Primakoff|nome2=S P|cognome2=Rosen|data=1959-01-01|titolo=Double beta decay|rivista=Reports on Progress in Physics|volume=22|numero=1|pp=121–166121-166|accesso=2024-04-26|doi=10.1088/0034-4885/22/1/305|url=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/22/1/305}}</ref> Esso porta quindi allo stesso nuclide finale dei due corrispondenti decadimenti beta corrispondenti in successione:. inIn tutti i casi si produce un [[elemento chimico]] che è due caselle più avanti (o più indietro) nella [[Tavola periodica degli elementi|Tavola periodica]], rispetto a quello iniziale.:

: {{apici e pedici|a=r|p=''A''|b=''Z''}}E &nbsp;&nbsp;→&nbsp;&nbsp; {{apici e pedici|a=r|p=''A''|b=''Z±2''}}E

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Come per il decadimento beta singolo, il doppio decadimento beta può essere distinto in due tipi principali: il doppio decadimento beta ''negativo'' e il doppio decadimento beta ''positivo''.

Nel doppio decadimento beta negativo, indicato con il simbolo 2''β''⁻, (o ''β⁻β⁻'') due neutroni del nucleo sono convertiti in due protoni, con l'emissione dal nucleo di due [[Elettrone|elettroni]] e due antineutrini.

Il doppio decadimento positivo, indicato con il simbolo 2''β''⁺, (o ''β⁺β⁺'') comporta in ogni caso la trasformazione inversa rispetto al 2''β''⁻, cioè la trasformazione di due protoni in due neutroni, con l'emissione di due [[Neutrino|neutrini]]; questa trasformazione si può però realizzare con tre meccanismi diversi a seconda del numero di [[Positrone|positroni]] che vengono emessi dal nucleo (0, 1 o 2). Questi sono descritti qui sotto in ordine crescente di richiesta energetica (Q) per la trasformazione del nuclide iniziale nel nuclide finale:<ref>{{Cita pubblicazione|nome=M.|cognome=Hirsch|nome2=K.|cognome2=Muto|nome3=T.|cognome3=Oda|data=1994-09-01|titolo=Nuclear structure calculation ofβ+β+,β+/EC and EC/EC decay matrix elements|rivista=Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei|volume=347|numero=3|pp=151–160151-160|lingua=en|accesso=2024-04-26|doi=10.1007/BF01292371|url=https://doi.org/10.1007/BF01292371}}</ref>

* [[doppia cattura elettronica]] (2ε2''ε'' o ''εε''): il nucleo atomico cattura due elettroni (come nella [[Cattura elettronica|cattura monoelettronica]], preferibilmente dall'orbitaledal guscio elettronico 1''s<ref>{{Cita libro|nome=GREGORY R.|cognome=CHOPPIN|nome2=JAN-OLOV|cognome2=LILJENZIN|nome3=JAN|cognome3=RYDBERG|titolo=Unstable Nuclei and Radioactive Decay|url=https://doi.org/10.1016/B978-075067463-8/50004-2|accesso=6 aprile 2024|data=2002|editore=Elsevier|pp=58-93|doi=10.1016/b978-075067463-8/50004-2}}</ref>'') ed emette due neutrini; avviene per Q > 0.

* cattura elettronica+emissione di positrone (ε''β''⁺): il nucleo atomico cattura un elettrone ed emette un [[positrone]] e due neutrini; avviene per Q > 1,022&nbsp;MeVM[[Elettronvolt|eV]] (equivalente energetico di 2 masse elettroniche).

* doppia emissione di positrone (2''β''⁺ o ''β''⁺''β''⁺): il nucleo atomico emette due positroni e due neutrini; avviene per Q > 2,044&nbsp;MeV (equivalente energetico di 4 masse elettroniche).

== Esempi ==

=== Decadimento doppio beta negativo (2''β⁻'') ===

Un nuclide E di numero atomico ''Z,'' soggetto al decadimento doppio beta negativo, si trasforma in un altro nuclide avente numero atomico ''Z''+2, emettendo due antineutrini elettronici e due elettroni, come nello schema generale seguente:

: {{apici e pedici|a=r|p=''A''|b=''Z''}}E &nbsp;&nbsp;→&nbsp;&nbsp; {{apici e pedici|a=r|p=''A''|b=''Z+2''}}E + 2 ''e⁻'' + 2 <math>\bar{\nu}_e</math> &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Esempio: {{apici e pedici|a=r|p=48|b=20}}[[Calcio (elemento chimico)|Ca]] &nbsp;&nbsp;→&nbsp;&nbsp; {{apici e pedici|a=r|p=48|b=22}}[[Titanio|Ti]]²⁺ + 2 ''e⁻'' + 2 <math>\bar{\nu}_e</math> &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; [Q(2''β⁻'') = 4274&nbsp;keV, ''T''_½ = 1,9×10¹⁹&nbsp;anni]<ref>{{Cita web|url=https://periodictable.com/Isotopes/020.48/index.dm.prod.html|titolo=Isotope data for calcium-48 in the Periodic Table|sito=periodictable.com|accesso=2024-05-01}}</ref>

L'atomo prodotto dal decadimento ([[titanio]], in questo caso) è un [[Catione|dicatione]].

=== Decadimenti doppio beta positivo (2''ε'', ''εβ⁺'', 2''β⁺'') ===

Un nuclide E di numero atomico ''Z,'' soggetto a un decadimento doppio beta positivo, si trasforma in un altro nuclide avente numero atomico ''Z''−2, emettendo due neutrini elettronici e 0, 1, o 2 positroni, come negli schemi che seguono. In questi casi la doppia cattura elettronica, che è il processo più favorito energeticamente e per il quale deve essere Q(2''ε'') > 0, accompagna gli altri due quando essi sono permessi, anche se a volte in percentuali piccole o molto piccole; così pure la cattura elettronica con emissione di positrone accompagna la doppia emissione di positrone quando questa è permessa. A tal proposito, le energie di decadimento (Q) di ciascuna trasformazione permessa devono essere positive; le relazioni energetiche sono le seguenti:

:Q(''εβ⁺'') = Q(2''ε'') − 1022&nbsp;keV > 0

:Q(2''β⁺'') = Q(2''ε'') − 2044&nbsp;keV > 0

==== Doppia cattura elettronica (2''ε'') ====

: {{apici e pedici|a=r|p=''A''|b=''Z''}}E &nbsp;&nbsp;→&nbsp;&nbsp; {{apici e pedici|a=r|p=''A''|b=''Z−2''}}E + 2 <math>\nu_e</math> &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Esempio: {{apici e pedici|a=r|p=40|b=20}}[[Calcio (elemento chimico)|Ca]] &nbsp;&nbsp;→&nbsp;&nbsp; {{apici e pedici|a=r|p=40|b=18}}Ar + 2 <math>\nu_e</math> &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; [Q(2''ε'') = 193,51&nbsp;keV, ''T''_½ = 3×10²¹&nbsp;anni]<ref>{{Cita web|url=https://periodictable.com/Isotopes/020.40/index.dm.html|titolo=Isotope data for calcium-40 in the Periodic Table|sito=periodictable.com|accesso=2024-05-01}}</ref><ref name=":2">{{Cita web|url=https://art.torvergata.it/retrieve/e291c0d9-308b-cddb-e053-3a05fe0aa144/2021-bb-pos-rev-particles-04-00023-v3.pdf|titolo=Status and Perspectives of 2e, eb+ and 2b+ Decays|autore=Pierluigi Belli|autore2=Rita Bernabei|autore3=Vincenzo Caracciolo|sito=Università Torvergata|p=257}}</ref>

L'atomo prodotto dal decadimento ([[argon]], in questo caso) è elettricamente neutro.

==== Cattura elettronica con emissione di positrone (''εβ⁺'') ====

: {{apici e pedici|a=r|p=''A''|b=''Z''}}E &nbsp;&nbsp;→&nbsp;&nbsp; {{apici e pedici|a=r|p=''A''|b=''Z−2''}}E + ''e⁺'' + 2 <math>\nu_e</math> &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Esempio: {{apici e pedici|a=r|p=64|b=30}}Zn &nbsp;&nbsp;→&nbsp;&nbsp; {{apici e pedici|a=r|p=64|b=28}}Ni⁻ + ''e⁺'' + 2 <math>\nu_e</math> &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; [Q(2''ε'') = 1094,7&nbsp;keV, ''T''_½ > 1,2×10²²&nbsp;anni]<ref name=":2" />

L'atomo prodotto dal decadimento ([[nichel]], in questo caso) è un [[anione]].

==== Doppia emissione di positrone (''2β⁺'') ====

: {{apici e pedici|a=r|p=''A''|b=''Z''}}E &nbsp;&nbsp;→&nbsp;&nbsp; {{apici e pedici|a=r|p=''A''|b=''Z−2''}}E + 2 ''e⁺'' + 2 <math>\nu_e</math> &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Esempio: {{apici e pedici|a=r|p=78|b=36}}Kr &nbsp;&nbsp;→&nbsp;&nbsp; {{apici e pedici|a=r|p=78|b=34}}Se²⁻ + 2 ''e⁺'' + 2 <math>\nu_e</math> &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; [Q(2''ε'') = 2849,96&nbsp;keV, ''T''_½ = 2,3×10²⁰&nbsp;anni]<ref>{{Cita web|url=https://periodictable.com/Isotopes/036.78/index.dm.prod.html|titolo=Isotope data for krypton-78 in the Periodic Table|sito=periodictable.com|accesso=2024-05-01}}</ref>

L'atomo prodotto dal decadimento (selenio, in questo caso) è un dianione.

== Doppio decadimento beta senza neutrini ==

[[Image:Double beta decay feynman.svg|thumb|[[Diagramma di Feynman]] di un doppio decadimento beta in assenza di neutrini, con due neutroni che decadono in due protoni. I soli prodotti emessi in questo processo sono due elettroni. Questo può accadere se il neutrino e l'antineutrino sono la stessa particella (cioè un neutrino di Majorana). In tal caso lo stesso neutrino può essere emesso e assorbito all'interno del nucleo. Nel doppio decadimento beta convenzionale vengono emessi dal nucleo due elettroni e due antineutrini, uno da ogni vertice con un bosone W. La rivelazione di un doppio decadimento beta senza neutrini sarebbe quindi una dimostrazione che i neutrini sono particelle di Majorana.]]

I processi descritti prima sono conosciuti come doppio decadimento beta con neutrini, in quanto sono emessi due neutrini (o antineutrini). Tuttavia, qualora neutrino ed antineutrino non fossero particelle realmente distinte, cioè se fossero [[particelle di Majorana]], sarebbe possibile osservare un doppio decadimento beta senza neutrini.<ref>{{Cita libro|autore=H. V. Klapdor-Kleingrothaus|titolo=Sixty years of double beta decay: from nuclear physics to beyond standard model particle physics|url=https://www.worldcat.org/title/ocm47734226|accesso=2024-04-30|data=2001|anno=2001|editore=World Scientific|lingua=en|p=289|OCLC=ocm47734226|ISBN=978-981-02-3779-0}}</ref> Nel doppio decadimento beta senza neutrini, l'antineutrino emesso è assorbito immediatamente da un altro [[nucleone]] del nucleo. Quindi, la somma delle energie totali dei due elettroni emessi è esattamente pari alla differenza dell'energia di legamemassa, moltiplicata per ''c''², tra il nucleo iniziale e quello finale.<ref>{{Cita libro|autore=H. V. Klapdor-Kleingrothaus|titolo=Sixty years of double beta decay: from nuclear physics to beyond standard model particle physics|url=https://www.worldcat.org/title/ocm47734226|accesso=2024-04-30|data=2001|anno=2001|editore=World Scientific|lingua=en|p=927|OCLC=ocm47734226|ISBN=978-981-02-3779-0}}</ref>

Esistono diversi esperimenti in corso per lo studio del doppio decadimento beta senza neutrini. La sua scoperta indicherebbe che il neutrino e l'antineutrino sono la stessa particella. Un modello teorico, attualmente tra i migliori, che possa descrivere questo fenomeno è [[Fermione di Majorana|quello sviluppato da Majorana]].