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''' è un [[decadimento radioattivo]] raro in cui un [[nucleo atomico]] decade in un altro con stesso [[numero di massa]].

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).

Il doppio decadimento beta può essere interpretato come il verificarsi di due [[decadimento beta|decadimenti beta]] contemporanei. Possono essere distinti quattro tipi di doppi decadimenti beta: due decadimenti <math>\beta^-</math>, due decadimenti <math>\beta^+</math>, due catture elettroniche, una cattura elettronica ed un decadimento <math>\beta^+</math>.

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]]. 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 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>

Ad esempio, nel doppio decadimento <math>\beta^-</math>, due neutroni del nucleo sono convertiti in due protoni, con l'emissione di due elettroni e due antineutrini. 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 normale ==

Per alcuni nuclei, il processo elementare è interpretabile come conversione di due protoni in due neutroni, 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 maggiore di 1022&nbsp;[[Chiloelettronvolt|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 maggiore di 2044&nbsp;keV (quattro volte l'elettrone), un terzo ramo si apre, con l'emissione di due positroni. Tutti 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 corrispondenti 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, 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

=== Condizioni generali ===

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 negativo, indicato con il simbolo 2''β''⁻, due neutroni del nucleo sono convertiti in due protoni, con l'emissione di due [[Elettrone|elettroni]] e due antineutrini.

Il doppio decadimento positivo, indicato con il simbolo 2''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 (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]] (2ε o εε): il nucleo atomico cattura due elettroni (preferibilmente dall'orbitale 1''s'') 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;MeV (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).

== Doppio decadimento beta senza neutrini ==