Met meer details rekenen aan mysterieus dubbel-bètaverval

Het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters heeft onlangs het nieuwe onderzoek van onder meer Jordy de Vries en Saad el Morabit van Nikhef voor publicatie geaccepteerd.

Nauwkeurige berekeningen zijn al lang mogelijk voor enkelvoudig bètaverval, waarbij een neutron in een atoomkern spontaan vervalt tot een proton, een elektron en een neutrino. De berekening voor twee gelijktijdige bètavervalgebeurtenissen is een primeur, aldus promovendus El Morabit.

“We hebben kunnen aantonen dat de elektromagnetische correcties voor dubbel verval niet simpelweg het dubbele zijn van die bij enkelvoudig verval, en we hebben hiervoor ook de juiste correcties gevonden. De theoretische onzekerheid is daardoor kleiner, wat het gemakkelijker maakt om experimentele resultaten te interpreteren.”

De nauwkeurige berekeningen houden rekening met een subtiel effect dat voorheen vaak over het hoofd werd gezien: de elektrische aantrekking tussen de positief geladen atoomkern en de vrijgekomen elektronen, samen met de wederzijdse elektrische afstoting van diezelfde elektronen. Er zijn een aantal nieuwe rekenmethoden geïntroduceerd om rekening te houden met dit effect, dat verre van verwaarloosbaar blijkt te zijn.

Afbeelding vergroten

Dubbel bètaverval: neutrino-rijk aan de linkerkant, neutrino-arm aan de rechterkant.

De extra details maken de berekeningen aanzienlijk ingewikkelder, zegt El Morabit. “Veel hiervan is ouderwets handwerk – analytische vergelijkingen met een enorm aantal termen die allemaal moeten kloppen. We hebben nauw samengewerkt met de Amerikanen om elkaars werk tot op het laatste plus- en minteken te controleren.”

Het resultaat is een model dat het energiespectrum van dubbel-bèta-verval kan voorspellen met een nauwkeurigheid van enkele procenten. Met dat precisieniveau wordt het mogelijk om nauwkeurige metingen van dergelijke spectra fysisch te interpreteren.

Als promovendus is El Morabit betrokken bij het XENONnT-experiment in Gran Sasso, Italië, waarin Nikhef een belangrijke partner is. Dat ondergrondse experiment is opgezet om donkere materie uit het heelal te detecteren, maar in de tank met een paar ton xenon vervalt vaak genoeg een atoomkern via dubbel-bèta-verval om gemeten te kunnen worden.

De kans dat dit gebeurt is één keer per 10^21 jaar, maar een paar ton xenon bevat genoeg atomen om af en toe een signaal te detecteren. El Morabit vermoedt dat het experiment in Gran Sasso genoeg gebeurtenissen zal waarnemen om een energiespectrum op te stellen.

Bètaverval is al lang een onderwerp van grote belangstelling in de deeltjesfysica. Het proces verklaart radioactiviteit, maar bracht ook het bestaan van neutrino’s aan het licht, een voorheen onbekende klasse van ongeladen en vrijwel massaloze deeltjes. Dubbel bètaverval is een uiterst zeldzame vorm van dit radioactieve verval.

Dubbel bètaverval wordt ook bestudeerd omdat het proces in theorie slechts twee elektronen kan produceren zonder dat er neutrino’s vrijkomen. Dat zou betekenen dat neutrino’s hun eigen antideeltjes zijn – een cruciaal nieuw inzicht voor theoretici, omdat het raakt aan de vraag hoe neutrino’s hun minuscule massa verkrijgen.

Dergelijk neutrino-loos dubbel bètaverval kan alleen in gemeten spectra worden gedetecteerd als de voorspellingen zo nauwkeurig mogelijk zijn. Er is nu een nieuw niveau van nauwkeurigheid bereikt, zegt Jordy de Vries, de promotor van El Morabits. „We gaan nu echt het maximale halen uit een aantal bestaande en toekomstige experimenten.”

Sluiten

Dubbel bètaverval: neutrino-rijk aan de linkerkant, neutrino-arm aan de rechterkant.