雙β衰變

雙β衰變（double-β decay）是原子核的一種稀有衰變模式。這一過程中原子核中的一對中子轉變為一對質子（或者相反的轉變），同時從原子核中釋放出一對電子（或一對正電子）和一對反中微子（或者一對中微子）。

基本介紹

• 中文名：雙β衰變
• 外文名：double-βdecay
• 類型：不穩定核的一種衰變方式
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概念說明

相對於常見的原子核β衰變而言，這一既放電子又放中微子的雙β衰變是一種機率很小的二階弱相互作用過程，只在某些特殊的原子核上才可實現。第一個成功觀測到釋放中微子和電子的雙β衰變現象的實驗是在1992年，所觀測的原子核是⁸²Se。以後在另外幾個原子核上也觀測到雙β衰變。

現對雙β衰變十分重視，原因是因為除了這種既放電子又放中微子的雙β衰變模式外，還可能存在另一隻放電子而不放中微子的無中微子雙β衰變模式。後一種模式中中微子只是作為“虛粒子”，被第一個核子放出後，隨即被第二個核子所吸收不作為真實粒子出現。因此，衰變終態中沒有中微子。實現這種衰變模式的條件很嚴格，首先要求中微子質量不是零，且中微子是絕對中性的，即中微子和反中微子不可區分。

實驗困難

一旦實驗證明無中微子雙β衰變確實存在，將使人們對中微子性質的了解邁進了一大步。但是，由於實驗十分困難，儘管有人宣布看到這種現象的跡象，但可靠的實驗結論尚需時日。

1970 年，吳健雄等曾經報導了一次在美國克里夫蘭附近的一個 600 余米深的鹽礦井內進行的雙β衰變實驗。實驗選在深礦井內是為了儘量減少高能宇宙射線的輻射。

歷史

雙β衰變這個概念最初由瑪麗亞·格佩特-梅耶於1935年提出。埃托雷·馬約拉納於1937年證明了若中微子為其自身的反粒子，則β衰變理論的所有結果不變，因此有這種特性的粒子現在被稱為馬約拉納粒子溫德爾·弗里於1939年提出若中微子為馬約拉納粒子的話，則雙β衰變能夠在不射出任何中微子的情況下進行，這個過程現在被稱為無中微子雙β衰變。現時仍未知道中微子是否馬約拉納粒子，亦未知道無中微子雙β衰變是否存在於自然之中。

弱相互作用的宇稱破缺在1930至40年代尚未被發現，因此造成了相關計算指出無中微子雙β衰變的出現率應該要比尋常雙β衰變要高得多。半衰期的預測值在10年的數量級上。早在1948年，愛德華·法厄曼在用蓋革計數器直接量度錫-124的半衰期時就第一次嘗試了在實驗中觀測這個過程。整個1960年代的放射性測量實驗都得出反面結果或偽正面結果，這些結果在後來的實驗都未能重現。物理學家於1950年在使用地球化學方法第一次成功量度到碲-130的雙β衰變半衰期為1.4×10年，與現代的測量值相當接近。

在弱相用作用的V−A性質確立的1956年後，無中微子雙β衰變的半衰期就變得很明顯地應該要比尋常β衰變要長得多。儘管實驗技巧在1960至70年代得到重大的躍進，但是雙β衰變要在1980年代才能在實驗室觀測得到。實驗只成功確立了半衰期的下限約在10年。與此同時，地球化學實驗探測到了硒-82和碲-128的雙β衰變。

最早在實驗室成功觀測到雙β衰變的是加州大學爾灣分校麥可·莫伊（Michael Moe）的團隊，他們於1987年到硒-82的這個過程。自此以後，不少實驗都成功觀測到其他同位素的尋常雙β衰變。但上述實驗中沒有一個能為無中微子過程提供正面的結果，因此其半衰期下限被提高至約為10年。地球化學實驗繼續於整個1990年代發展，在數種同位素中得出了正面的結果。雙β衰變是已知放射性衰變中最罕見的：至2012年為止只有在12種同位素中觀測到這個過程（包括2001年所觀測到鋇-130的雙電子捕獲），而所有已知雙β衰變過程的平均壽命都在10年以上。

尋常雙β衰變

在雙β衰變中，原子核內的兩中子變成質子，並射出兩電子及兩電子中微子。這個過程可被視為兩次負β衰變的總和。要使（雙）β衰變變得可行，衰變所產生原子核的結合能必須比原來的大。對某些像鍺-76的原子核而言，原子數高一的原子核有著較低的結合能，因此阻止了β衰變的發生。然而，原子數高二的原子核（硒-76）則有較大的結合能，因此可以發生雙β衰變。

對某些原子而言，這個過程原子核吸收兩個軌道電子（雙電子捕獲），把兩個質子轉換成兩個中子並射出兩個電子中微子。若衰變物與衰變產物的原子質量差超過1.022MeV/c（電子質量的兩倍）的話，還可以發生另一衰變，捕獲一軌道電子並射出一正電子。當質量差超過2.044MeV/c（電子質量的四倍）時，可以射出兩正電子。但這些理論衰變分支仍未被觀測到。