Un núcleo radiactivo puede emitir dos neutrinos (desintegración beta doble), pero también puede emitir dos fotones (desintegración gamma doble). Un proceso muy raro que ha sido observado en núcleos de bario (Ba-137) y ha merecido ser publicado en la prestigiosa revista Nature. Se han observado tanto la desintegración en un fotón como en dos fotones, estimando el cociente entre ambas.

La desintegración radiactiva γγ fue predicha por la física Maria Göppert-Mayer en su tesis doctoral (c. 1930). Esta desintegración fue observada en 1984 usando núcleos de calcio (Ca-40) y circonio (Zr-90), y en 1987 en núcleos de oxígeno (O-16). Sin embargo, la observación directa del fenómeno no se ha logrado hasta 30 años después usando Ba-137. El estado excitado de este átomo emite fotones (rayos γ) de 661,66 keV, pero una vez cada 487.805 veces emite dos fotones (rayos γγ) cuya suma de energías es exactamente 661,66 keV. La medida es complicada porque requiere separar ambos fotones en un intervalo de tiempo en la escala de nanosegundos y evitar detecciones espurias.

El artículo es C. Walz et al., «Observation of the competitive double-gamma nuclear decay,» Nature 526: 406–409, 15 Oct 2015, doi: 10.1038/nature15543; más información divulgativa en Alexandra Gade, «Nuclear physics: Sometimes γ-rays come in twos,» Nature 526: 330–331, 15 Oct 2015, doi: 10.1038/526330a.

¿Por qué se ha tardado tanto tiempo en observar sin género de dudas la desintegración gamma doble? Porque hay que rodear la fuente con varios detectores y de alguna forma evitar que un fotón (como 1 en la figura izquierda) interaccione con un electrón en el detector (vía dispersión de Compton) dando lugar a un segundo fotón que incida en otro detector (como el 2 en la figura). Para evitarlo se han usando bloques de plomo entre los detectores. Además, se exige una detección simultánea de ambos fotones, con un error |Δt| ≤ 1,2 ns (nanosegundos), para evitar coincidencias aleatorias (que se dan en intervalos entre 20 ns ≤ |Δt| ≤ 76 ns). Estas dificultades parecen pequeñas, pero son la causa de que hayan sido necesarios unos 30 años para superarlas.

¿Para qué sirve este raro modo de desintegración? Como su origen es la electrodinámica cuántica (QED) se podrá usar para estudiar los núcleos atómicos con nuevos ojos. Por ahora no se ve prevén aplicaciones prácticas.