Doppelter Betazerfall

Der doppelte Betazerfall bezeichnet den gleichzeitigen Betazerfall zweier Nukleonen in einem Kern. Es werden also statt einem Betateilchen zwei Betateilchen ausgesendet. Allerdings ist er normalerweise nicht beobachtbar, da er vom normalen Betazerfall überdeckt wird.

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Voraussetzungen für den doppelten Beta-Zerfall

 Nur wenn der (einfache) Betazerfall aus energetischen Gründen nicht möglich ist, kann der doppelte Betazerfall beobachtet werden. Dies ist in der Abbildung an einem Beispiel deutlich gemacht: Für Kerne mit ungerader aber konstanter Nukleonenzahl A (Isobare - linker Graph) sind die Massen bei verschiedenen Kernladungszahlen Z auf einer Parabel verteilt. Die Masse im Graphen ist ein Maß für die Bindungsenergie - der niedrigste Punkt der Parabel am energetisch günstigsten und daher andere Konfigurationen meist instabil (deswegen existiert überhaupt ein Zerfall). Für Kerne mit geradem A spaltet sich diese Parabel aufgrund des Paarungstermes in der Bethe-Weizsäcker-Formel in eine Parabel für gerade und eine für ungerade Kernladungszahl Z auf, wobei erstere Konfiguration einen höheren Massendefekt erzeugt (rechter Graph). Es ist somit möglich, dass ein Ausgangskern (1) eine geringere Masse als sein unmittelbarer Nachbarkern (2), aber eine höhere als dessen nächster Nachbar (3) besitzt. Der einfache Betazerfall 1 → 2 (rot markiert) ist nun energetisch nicht möglich und muss durch den doppelten Betazerfall 1 → 3 umgangen werden.

Bei einigen Isotopen verhindert überdies eine Drehimpulsdifferenz zwischen Mutter- und Tochterkern einen Betazerfall, obwohl dieser energetisch möglich wäre.

So würde zum Beispiel der Betazerfall von ¹⁴²Ce zu ¹⁴²Pr 745 keV Energie benötigen. Erst der Zerfall zu ¹⁴²Nd ist energetisch möglich. Beim ersten nachgewiesenen doppelten Betazerfall handelte es sich um den Zerfall von ⁸²Se in ⁸²Kr. Er wurde 1967 indirekt durch geochemische Experimente und dann 1987 direkt beobachtet. Insgesamt sind etwa 30 Isotope bekannt, bei denen der doppelte Betazerfall erwartet wird. Da es sich hier um einen Prozess der schwachen Wechselwirkung in 2. Ordnung handelt, sind die Zerfälle selten und damit die Halbwertszeiten der Kerne hoch (von der Größenordnung 10²⁰ Jahre). Da zusätzlich zu den zwei Elektronen zwei (Anti-)Neutrinos abgestrahlt werden, sind die Energiespektren der Elektronen kontinuierlich.

Neutrinoloser Doppel-Betazerfall

Von besonderem Interesse ist der neutrinolose doppelte Betazerfall, der allerdings bis jetzt nicht nachgewiesen ist. In diesem Fall wäre die Gesamtenergie der beiden Elektronen nicht mehr kontinuiertlich verteilt, sondern hätte immer einen festen Wert.

Die Existenz des Neutrinolosen Doppel-Betazerfalls würde bedeuten, dass die Erhaltung der Leptonenzahl verletzt ist (worauf allerdings auch bereits die Neutrinooszillationen hindeuten) und das Neutrino sein eigenes Antiteilchen wäre. In der quantenfeldtheoretischen Beschreibung hieße dies, dass das Neutrinofeld kein Dirac-Spinor, sondern ein Majorana-Spinor wäre, im Widerspruch zum jetzigen Standardmodell. Des Weiteren gäbe die Messung des neutrinolosen Doppelbetazerfalls Aufschluss über die absolute Neutrinomassenskala. Die Halbwertszeit des neutrinolosen Doppelbetazerfalls wird in der Größenordnung von 10²⁷ Jahren erwartet. Das HDMS-Experiment hat 2001 eine umstrittene Arbeit veröffentlicht, in der sie von starken Hinweisen auf die Existenz dieses Zerfallsmodus berichten.