Theoretici van Nikhef hebben met collega’s uit de VS een verbeterde rekenmethode ontwikkeld voor het radioactieve dubbel-bètaverval in atoomkernen. Dat moet experimenten scherper helpen kijken.
Het prominente tijdschrift Physical Review Letters heeft het nieuwe werk van ondermeer Jordy de Vries en Saad el Morabit van Nikhef onlangs geaccepteerd voor publicatie.
Voor enkel bètaverval, waarbij een neutron uit een atoomkern spontaan uiteenvalt in een proton en een elektron plus een neutrino, zijn precisieberekeningen al langer mogelijk. De berekening voor twee gelijktijdige bètaverval-gebeurtenissen, is een primeur, zegt promovendus El Morabit.
“We hebben kunnen laten zien dat elektromagnetische correcties voor dubbel-verval niet gewoon tweemaal die van het enkele verval zijn, en we hebben daarvoor ook de juiste correcties gevonden. De theoretische onzekerheid is daarmee kleiner, waardoor experimentele resultaten beter te interpreteren worden.”
In de precisieberekeningen wordt een subtiel effect meegenomen dat eerder meestal werd genegeerd: de elektrische aantrekking tussen de positief geladen atoomkern en de vrijkomende elektronen samen met de onderlinge elektrische afstoting van dezelfde elektronen. Voor dat effect is een aantal nieuwe rekentechnieken geïntroduceerd. Het effect blijkt niet verwaarloosbaar klein.
De extra details compliceren het rekenwerk enorm, zegt El Morabit. “Veel hiervan is ouderwets handwerk, analytische vergelijkingen met enorm veel termen die allemaal moeten kloppen. We deden veel parallel met de Amerikanen, om elkaars werk te kunnen controleren tot de laatste plusjes en minnetjes.”
Het resultaat is een model dat tot op een paar procent nauwkeurig het energiespectrum van dubbel-bètaverval kan voorspellen. Met die precisie wordt het mogelijk om precisiemetingen van zulke spectra fysisch te interpreteren.
El Morabit is als promovendus betrokken bij het XENONnT experiment in Gran Sasso, Italië, waarin Nikhef een belangrijke partner is. Dat ondergronds experiment is gebouwd om donkere materie uit het heelal te vangen, maar in de tank met een paar ton xenon kan vaak genoeg ook een atoomkern via dubbel-bètaverval vervallen om het te kunnen meten.
De kans daarop is eens in de 10^21 jaar, maar in een paar ton xenon zitten voldoende atomen, om toch af en toe een signaal te vinden. Het experiment in Gran Sasso gaat op termijn waarschijnlijk genoeg gebeurtenissen zien om een energiespectrum te kunnen maken, verwacht El Morabit.
Bètaverval heeft van oudsher in de deeltjesfysica grote belangstelling. Het proces verklaart radioactiviteit, maar verraadde ook het bestaan van neutrino’s, een tot dan onbekend klasse van ongeladen en haast massaloze deeltjes. Dubbel-bètaverval is een extreem zeldzame versie van dit radioactief verval.
Dubbel-bètaverval wordt ook bestudeerd omdat het proces in theorie ook alleen twee elektronen kan produceren terwijl er geen neutrino’s vrijkomen. Dat zou betekenen dat neutrino’s hun eigen antideeltjes zijn, voor theoretici een cruciaal nieuw inzicht omdat het raakt aan de vraag hoe neutrino’s aan hun geringe massa komen.
Zulk neutrinoloos dubbel-bètaverval is alleen in gemeten spectra aan te wijzen, als de voorspellingen zo precies mogelijk zijn. Een nieuwe stap in precisie is nu bereikt, zegt Saad el Morabits begeleider Jordy de Vries. “We gaan nu echt het onderste uit de kan halen bij een aantal bestaande en toekomstige experimenten.”
