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.
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 Nukleonenzahl (linker Graph) sind die Massen bei verschiedenen Kernladungszahlen auf einer Parabel verteilt. Für Kerne mit geradem spaltet sich diese Parabel aufgrund des Paarungstermes in der Bethe-Weizsäcker-Formel in eine Parabel für gerade und eine für ungerade Kernladungszahl 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. Es sind insgesamt etwa 30 Isotope bekannt, bei denen ein doppelter Betazerfall beobachtbar ist. Da es sich hier um einen Prozess der schwachen Wechselwirkung der 2. Ordnung handelt, sind die Zerfälle selten und damit die Halbwertszeiten der Kerne hoch (O(1020 a)). 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.