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>

Il '''doppio decadimento beta''' (DBD) è un [[decadimento radioattivo]] raro in cui due [[neutrone|neutroni]] sono convertiti in due [[protone|protoni]].

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=603-613|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).

Nel [[decadimento beta]] meno, un [[nucleo atomico|nucleo]] decade convertendo un [[neutrone]] del nucleo in un [[protone]] e emettendo un [[elettrone]] e un [[neutrino|antineutrino elettronico]]. Per essere possibile il nucleo finale deve avere una maggiore [[energia di legame]] del nucleo

originario. Per alcuni nuclei, come il [[germanio]]-76, i nuclei con numero atomico maggiore di uno

hanno un'energia di legame più piccola, impedendo il decadimento beta. Tuttavia, il nucleo con numero atomico più grande di 2, il [[selenio]]-76, ha una grande energia di legame, quindi il "doppio decadimento beta" è consentito.

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]]. Basandosi 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=53-66|lingua=en|accesso=2024-04-26|doi=10.1016/j.nuclphysa.2005.02.027|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0375947405001521}}</ref>

Nel doppio decadimento beta, due neutroni del nucleo sono convertiti in protone, e due elettroni e due antineutrini sono emessi. Il processo fu osservato per la prima volta nel 1986. È il processo di decadimento più raro conosciuto; è stato osservato per soli 10 isotopi, e tutti avevano una vita media maggiore di 10¹⁹ anni.

== Doppio decadimento beta senzanormale neutrini==

Per alcuni nuclei, il processo avviene come conversione di due protoni in neutroni, con l'emissione di due neutrini elettronici e l'assorbimento di due elettroni atomici ([[doppia cattura elettronica]]). Se la differenza di massa tra i genitori e i figli è più di 1022&nbsp;[[keV]] (due volte la massa dell'elettrone), un altro ramo del processo è possibile, con la cattura di un elettrone atomico e l'emissione di due [[positroni]]. Inoltre se la differenza di massa è più di 2044&nbsp;keV (quattro volte l'elettrone), un terzo ramo si apre, con l'emissione di due positroni. Tutte questi tipi di decadimenti beta sono stati predetti ma mai osservati.

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=121-166|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 decadimenti beta corrispondenti in successione. In 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

==Doppio decadimento beta senza neutrini==

I processi descritti prima sono conosciuti come doppio decadimento beta 2 neutrini, in quanto 2 neutrini (o antineutrini) sono emessi. Se il neutrino è una [[particella di Majorana]], è possibile osservare un decadimento beta senza neutrini. Nel doppio decadimento beta senza neutrini il neutrino emesso è assorbito immediatamente da un altro nucleone del nucleo, quindi l'energia cinetica totale dei due elettroni è esattamente la differenza dell'energia di legame tra il nucleo iniziale e quello finale. Numerosi esperimenti hanno proposto la ricerca per il decadimento beta senza neutrini. La sua scoperta indicherebbe che il neutrino è una particelle di Majorana e consentirebbe il calcolo della [[massa del neutrino]].

=== Condizioni generali ===

==See also==

Per un nuclide iniziale di dato numero atomico ''Z'' il doppio decadimento beta può avvenire se l'energia di decadimento al nuclide ''Z''±2 risulta positiva ma, al tempo stesso, se però quella del decadimento al nuclide ''Z''±1 risulta negativa (impossibile) o fortemente soppressa da [[Regola di selezione|regole di selezione]];<ref>{{Cita web|url=https://elearning.unimib.it/pluginfile.php/1447918/mod_resource/content/8/5_Beta.pdf|titolo=Decadimenti Beta|p=38}}</ref> altrimenti, avvengono due singoli decadimenti beta in successione.<ref>{{Cita libro|nome=GREGORY R.|cognome=Choppin|nome2=JAN-OLOV|cognome2=Liljenzin|nome3=JAN|cognome3=Rydberg|titolo=CHAPTER 4 - Unstable Nuclei and Radioactive Decay|url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780750674638500042|accesso=2024-04-26|data=2002-01-01|editore=Butterworth-Heinemann|p=67|ISBN=978-0-7506-7463-8|DOI=10.1016/b978-075067463-8/50004-2}}</ref>

=== Tipi e meccanismi ===

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=151-160|lingua=en|accesso=2024-04-26|doi=10.1007/BF01292371|url=https://doi.org/10.1007/BF01292371}}</ref>

* [[doppia cattura elettronica]] (2''ε'' o ''εε''): il nucleo atomico cattura due elettroni (come nella [[Cattura elettronica|cattura monoelettronica]], preferibilmente dal 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;M[[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 dei due elettroni emessi è esattamente pari alla differenza di massa, 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]].

Uno degli esperimenti per lo studio del doppio decadimento beta è stato [[NEMO-3]]. Questo esperimento è stato condotto in un laboratorio sotterraneo all'interno del [[traforo stradale del Frejus|traforo del Frejus]], nei pressi di [[Modane]]. La presa dati è iniziata nel gennaio 2003 ed è terminata nel gennaio del 2011. In questi otto anni non è stato osservato alcun doppio decadimento beta in assenza di neutrini. L'esperimento NEMO-3 sarà seguito dal "SuperNEMO", un esperimento analogo ma condotto con apparecchiature più potenti.

Nel novembre del 2010 è stato inaugurato in Italia l'esperimento [[GERmanium Detector Array|GERDA]]. Anche questo esperimento ha come obiettivo la ricerca del doppio decadimento beta in assenza di neutrini.<ref>{{Cita web|url=https://www.mpi-hd.mpg.de/gerda/inaug/flyer/gerda_inauguration_flyer_it_final.pdf|titolo=La missione GERDA}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://www.repubblica.it/scienze/2010/11/09/news/neutrino_majorana-8933873/|titolo=Un esperimento per risolvere l'ultimo mistero di Majorana|sito=la Repubblica|data=2010-11-09|accesso=2019-08-01}}</ref> Durante la prima fase di raccolta dati dell'esperimento, iniziata a novembre 2011 e terminata a maggio 2015, non sono stati osservati eventi di doppio decadimento beta in assenza di neutrini<ref>{{Cita pubblicazione|autore=M. Agostini et al. (GERDA Collaboration)|data=2013-09-19|titolo=Results on Neutrinoless Double-beta Decay of 76Ge from Phase I of the GERDA Experiment|rivista=Physical Review Letters|volume=111|numero=12|p=122503|accesso=2019-08-01|doi=10.1103/PhysRevLett.111.122503|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.111.122503}}</ref> Nel dicembre 2015 è iniziata la seconda fase della raccolta dati.

== Note ==

<references/>

== Voci correlate ==

*[[CUORE (esperimento)]]

*[[Doppia cattura elettronica]]

*[[Decadimento beta]]

*[[Neutrino]]

{{Controllo di autorità}}

[[Categoria:Radioattività]]

{{portale|fisica}}

[[Categoria:Fisica delle particelle]]

[[Categoria:Radioattività]]

[[de:Doppelter Betazerfall]]

[[Categoria:Particelle subatomiche]]

[[en:Double beta decay]]

[[es:Doble desintegración beta]]

[[fr:Double désintégration béta]]

[[is:Tvívirk betasundrun]]

[[ja:二重ベータ崩壊]]

[[ko:이중 베타 붕괴]]

[[pl:Podwójny rozpad beta]]

[[ru:Двойной бета-распад]]

[[uk:Подвійний бета-розпад]]