二重電子捕獲

二重電子捕獲について

二重電子捕獲（にじゅうでんしほかく、Double electron capture）は、原子核の崩壊の一方式である。この現象は、特定の原子核がどのように変わり続けるかを理解する上で重要である。この過程は、質量差が重要な要素であり、原子核の崩壊を通じて新しい元素を形成するプロセスである。

基本的なメカニズム

原子核の構成要素は、陽子と中性子である。二重電子捕獲では、原子核内の2個の陽子が、オルビタルに存在する2個の電子を捕獲する。この結果、中性子が生じ、同時にニュートリノが放出される。具体的には、2個の陽子が中性子に変わることで、原子核は陽子数が2つ減少し、中性子数が2つ増加する。これにより、質量数（A）は変わらず、原子番号（Z）が減少し、結果として異なる元素に変化することになる。

例として、クリプトン78（^78Kr）が含まれる過程を見てみよう。次の反応式で表される：

$$
^{78}_{36}Kr + 2 e^{-} \rightarrow ^{78}_{34}Se + 2
u_e
$$

この反応では、クリプトン78が2つの電子を捕獲し、セレン78へと変化している。

通常の観測の難しさ

実際、二重電子捕獲は、その発生確率が極めて低いため、他の崩壊モードに容易に隠されてしまうことが多い。特に、単一の電子捕獲が一般的に見られるため、この過程が主な崩壊モードとして顕れることはまれである。しかし、他の崩壊モードが制限される場合、二重電子捕獲が主な方法となる可能性もある。

二重電子捕獲が予測される天然の核種は35種類存在するが、実際に観測されているのはクリプトン78やキセノン124、バリウム130のみである。その理由の一つとして、この過程の半減期が理論的に約10^{20}年とされる非常に長い時間かかるため、観測が極めて難しいことである。

さらに、二重電子捕獲に関連する検出可能な信号も限られている。励起原子から発生する特性X線やオージェ電子に限られ、これらの粒子が持つエネルギーは1〜10 keV以下であるため、背景ノイズの影響を受けやすい。したがって、この過程の実験的検出は二重ベータ崩壊の検出よりも困難である。

競合する崩壊過程

親核種と娘核種の質量差が2個の電子に相当する1.022 MeV以上であれば、他の崩壊過程⁤—例えば、陽電子放出と電子捕獲の組み合わせ—も可能である。この過程は二重電子捕獲と競合し、その分岐比は核の特性によって変わる。また、質量差が4個の電子に相当する2.044 MeV以上であれば、二重陽電子崩壊の可能性も出てくる。これらの異なる崩壊現象が実際に可能な核種はわずか6種類のみであり、特定の環境下でのみ発現する。

ニュートリノレス二重電子捕獲

二重電子捕獲は、年収はもちろんのこと、より新しい物理学の研究の文脈でも重要である。ニュートリノが放出されないニュートリノレス二重電子捕獲と言われる現象も理論上は可能である。この過程では、2個の電子が核に捕獲されるが、ニュートリノは放出されない。エネルギーは内部の放射ガンマ粒子に運ばれる。この現象はこれまで実験で一度も観測されていないが、仮に観測されると、標準模型を超える新たな物理の存在を示唆するかもしれない。

このように、二重電子捕獲は原子核の変化を理解する上で重要なプロセスであり、エネルギーや粒子の観測を通じて核物理学の未解明の領域を探求するきっかけとなる。

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