이중 전자 포획

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1. 개요
2. 이중 전자 포획
- 2.1. 희귀성
- 2.2. 양전자 방출을 동반한 이중 전자 포획
3. 중성미자 없는 이중 전자 포획
4. 한국의 연구 현황 (추가)
참조

1. 개요

이중 전자 포획은 원자핵이 궤도 전자 두 개를 포획하여 양성자 두 개를 중성자로 바꾸는 핵 붕괴 과정이다. 이 과정에서 두 개의 전자 중성미자가 방출되며, 다른 붕괴 모드가 금지된 경우에만 주요 붕괴 모드가 된다. 이중 전자 포획은 매우 드물게 발생하며, 반감기는 매우 길다. 딸핵의 여기 상태를 동반할 수 있으며, 양전자 방출을 동반하는 경우도 있다. 렙톤수 보존 법칙을 위반하는 중성미자 없는 이중 전자 포획이라는 가설도 존재하며, 이 붕괴는 표준 모형을 넘어서는 물리학의 증거가 될 수 있다.

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이중 전자 포획
개요
유형	방사성 붕괴 모드
설명	두 개의 원자 궤도 전자가 원자핵의 양성자에 의해 포획되어 중성자로 변환되는 과정
세부 정보
과정	두 개의 양성자가 두 개의 중성자로 변환되고 두 개의 전자 중성미자가 방출됨
핵종 변화	질량수 는 변하지 않고, 원자 번호 는 2 감소, 결과적으로 핵종이 핵종으로 변환됨
이중 베타 붕괴와의 관계	이중 베타 붕괴의 한 형태이며, 두 개의 양전자 방출은 경쟁 과정임
에너지 요구 조건	1차 전자 포획처럼, 이 과정은 원자 질량 차이가 보다 커야 함
관련 정보
관련 입자	전자
관련 핵종	바륨-130 () 이 제논-130 ()으로 붕괴
특징
발생 빈도	매우 희귀한 방사성 붕괴 모드
관찰	실험적으로 직접 관찰된 바 있음
연구	암흑 물질 연구에 활용될 가능성이 있음
기타
표기	EC/EC 또는 εε
참고 문헌	Improved search for two-neutrino double electron capture on 124Xe and 126Xe using particle identification in XMASS-I 암흑 물질 검출기가 극히 드문 핵 붕괴를 관찰

2. 이중 전자 포획

이중 전자 포획은 원자핵이 궤도 전자 두 개를 포획하여 양성자 두 개를 중성자로 전환하는 핵 붕괴 과정이다. 이 과정에서 두 개의 전자 중성미자가 방출된다. 대부분의 경우, 이 붕괴 모드는 단일 전자 포획과 같이 더 적은 입자를 포함하는, 더 가능성이 높은 다른 모드에 의해 가려진다. 다른 모든 모드가 “금지된”(강하게 억제된) 경우, 이중 전자 포획이 주요 붕괴 모드가 된다. 이중 전자 포획을 일으키는 것으로 여겨지는 34개의 자연 발생 핵종이 존재하지만, 이 과정은 단 세 가지 핵종, 크립톤-78(⁷⁸Kr), 제논-124(¹²⁴Xe), 바륨-130(¹³⁰Ba)의 붕괴에서만 관측을 통해 확인되었다.

한 가지 이유는 이중 전자 포획의 확률이 매우 작기 때문이다. 이 모드의 반감기는 10²⁰년을 훨씬 넘는다. 두 번째 이유는 이 과정에서 생성되는 유일하게 검출 가능한 입자가 들뜬 원자 껍질에서 방출되는 X선과 오제 전자이기 때문이다. 이들의 에너지 범위(1~10 keV)에서 배경은 일반적으로 높다. 따라서 이중 전자 포획의 실험적 검출은 이중 베타 붕괴보다 더 어렵다.

이중 전자 포획은 딸핵의 여기 상태를 동반할 수 있다. 이 여기 상태의 탈여기는 수백 keV의 에너지를 가진 광자 방출을 수반한다.

두 개의 전자를 포획하고 두 개의 중성미자를 방출하는 과정은 소립자물리학의 표준 모형에서 허용되며, 렙톤수 보존 법칙을 포함한 모든 보존 법칙에 전혀 위배되지 않는다. 그러나 렙톤수가 보존되지 않는다면(즉, 중성미자가 자신의 반입자라면) 다른 종류의 과정이 발생할 수 있다. 이것을 중성미자 없는 이중 전자 포획이라고 한다. 이 과정에서는 두 개의 전자가 핵에 포획되지만, 중성미자는 방출되지 않는다. 이 과정에서 방출되는 에너지는 내부 제동 복사 감마 입자에 의해 운반된다. 이 붕괴 현상은 실험적으로 한 번도 관측된 적이 없으며, 관측된다면 표준 모형을 넘어서는 물리학의 존재를 시사할 것이다.

식으로 나타내면 다음과 같다.

: ^{78}_{36}Kr\ + 2\mathit{e}^- -> ^{78}_{34}Se

2. 1. 희귀성

대부분의 경우, 이 붕괴 모드는 단일 전자 포획과 같이 더 적은 입자를 포함하는, 더 가능성이 높은 다른 모드에 의해 가려진다. 다른 모든 모드가 “금지된”(강하게 억제된) 경우, 이중 전자 포획이 주요 붕괴 모드가 된다. 이중 전자 포획을 일으키는 것으로 여겨지는 34개의 자연 발생 핵종이 존재하지만, 이 과정은 단 세 가지 핵종, 크립톤-78(⁷⁸Kr), 제논-124(¹²⁴Xe), 바륨-130(¹³⁰Ba)의 붕괴에서만 관측을 통해 확인되었다.

한 가지 이유는 이중 전자 포획의 확률이 매우 작기 때문이다. 이 모드의 반감기는 10²⁰년을 훨씬 넘는다. 두 번째 이유는 이 과정에서 생성되는 유일하게 검출 가능한 입자가 들뜬 원자 껍질에서 방출되는 X선과 오제 전자이기 때문이다. 이들의 에너지 범위(~1–10 keV)에서 배경은 일반적으로 높다. 따라서 이중 전자 포획의 실험적 검출은 이중 베타 붕괴보다 더 어렵다.

이중 전자 포획은 딸핵의 여기 상태를 동반할 수 있다. 이 여기 상태의 탈여기는 수백 keV의 에너지를 가진 광자 방출을 수반한다.

2. 2. 양전자 방출을 동반한 이중 전자 포획

만약 모원자와 딸원자 사이의 질량 차이가 전자 두 개의 질량(1.022 MeV)보다 크다면, 이 과정에서 방출되는 에너지는 양전자 방출을 동반한 전자 포획이라는 또 다른 붕괴 모드를 허용할 만큼 충분하다. 이것은 이중 전자 포획과 함께 발생하며, 그들의 분기 비율은 핵 특성에 따라 달라진다.^[3]^[4]^[5]

질량 차이가 전자 네 개의 질량(2.044 MeV)보다 클 경우, 이중 양전자 붕괴라고 불리는 세 번째 모드가 허용된다. 자연적으로 발생하는 핵종 중 크립톤/Krypton^영어-78, 루테늄/Ruthenium^영어-96, 카드뮴/Cadmium^영어-106, 제논/Xenon^영어-124, 바륨/Barium^영어-130, 세륨/Cerium^영어-136 여섯 가지와 비원시적인 가돌리늄/Gadolinium^영어-148 및 디스프로슘/Dysprosium^영어-154만이 에너지적으로 이 세 가지 모드를 통해 동시에 붕괴될 수 있다.^[3]^[4]^[5]

3. 중성미자 없는 이중 전자 포획

중성미자 없는 이중 전자 포획은 두 개의 전자가 원자핵에 포획되지만, 중성미자가 방출되지 않는 가설상의 과정이다.^[6] 이 과정은 렙톤 수 보존 법칙을 위반하며, 중성미자가 자신의 반입자일 경우에만 가능하다.^[6] 방출되는 에너지는 내부 제동복사 감마선에 의해 운반된다.^[6]

이 붕괴 방식은 아직 실험적으로 관측된 적이 없으며, 만약 관측된다면 표준 모형을 넘어서는 물리학의 증거가 된다.^[6]

예시:¹³⁰Ba + 2 e^- → ¹³⁰Xe

4. 한국의 연구 현황 (추가)

참조

_[1] 논문 Nuclear structure calculation of β⁺β⁺, β⁺/EC and EC/EC decay matrix elements
_[2] 논문 Improved search for two-neutrino double electron capture on 124Xe and 126Xe using particle identification in XMASS-I https://academic.oup[...] 2018-05-01
_[3] 논문 Status and Perspectives on Rare Decay Searches in Tellurium Isotopes 2021
_[4] 논문 Half-lives of double β⁺-decay with two neutrinos 2014-11-15
_[5] 학회발표 Law of double-β decay half-lives with two neutrinos http://tpcsf.ihep.ac[...] 2015-01-10
_[6] 논문 Neutrinoless double electron capture as a tool to measure the electron neutrino mass https://cds.cern.ch/[...] 1985-08-15
_[7] 논문 暗黒物質検出器が極めて稀な原子核崩壊を観測
_[8] 문서 捕獲した殻電子がもたらす軌道間準位差の余剰エネルギーによる

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