Безнейтринный двойной бета-распад - Neutrinoless double beta decay

Безнейтринный двойной бета - распад (0νββ) является широко предложен и экспериментально преследовало теоретический радиоактивный распад процесс , который бы доказать майорановскую природу нейтрино частицы . По сей день его не нашли.

Открытие безнейтринного двойного бета-распада может пролить свет на абсолютные массы нейтрино и на их иерархию масс ( массу нейтрино ). Это означало бы первый в истории сигнал о нарушении сохранения полного лептонного числа . Майорановская природа нейтрино подтвердит , что собственные нейтрино в античастице ничем не отличается , чем он сам, т.е. есть своя античастица.

Для поиска безнейтринного двойного бета-распада в настоящее время проводится ряд экспериментов, а также предлагается несколько будущих экспериментов для повышения чувствительности.

Историческое развитие теоретической дискуссии

Еще в 1939 году Венделл Х. Ферри выдвинул идею майорановской природы нейтрино, которая была связана с бета-распадами. Фарри заявил, что вероятность перехода будет даже выше для нейтрино без двойного бета-распада. Это была первая идея, предложенная для поиска нарушения сохранения лептонного числа. С тех пор он привлек внимание к нему как к полезному для изучения природы нейтрино (см. Цитату).

[...] мода 0ν, которая нарушает лептонное число и с давних пор была признана мощным инструментом для проверки свойств нейтрино.
- Оливьеро Кремонези

Итальянский физик Этторе Майорана первым ввел понятие частицы, являющейся своей собственной античастицей. Впоследствии природа частиц была названа его именем майорановскими частицами. Безнейтринный двойной бета-распад - один из методов поиска возможной майорановской природы нейтрино.

Этторе Майорана, который первым ввел идею идентичности частиц и античастиц.

Физическая значимость

Обычный двойной бета-распад

Обычно нейтрино образуются при слабых распадах. Слабые бета - распадов обычно производят один электрон (или позитрон ), испускать антинейтрино (или нейтрино) и увеличение ядра ' число протонов на единицу. Тогда масса ядра (т.е. энергия связи ) ниже и, следовательно, более благоприятна. Существует ряд элементов, которые могут распадаться на ядро с меньшей массой, но они не могут испустить один электрон только потому, что образующееся ядро кинематически (то есть с точки зрения энергии) неблагоприятно (его энергия будет выше). Эти ядра могут распадаться только с испусканием двух электронов (то есть посредством двойного бета-распада ). Существует около десятка подтвержденных случаев ядер, которые могут распадаться только посредством двойного бета-распада. Соответствующее уравнение распада: ${\ displaystyle Z}$

{\ displaystyle (A, Z) \ rightarrow (A, Z + 2) + 2e ^ {-} + 2 {\ bar {\ nu}} _ {e}}

.

Это слабый процесс второго порядка. Одновременный распад двух нуклонов в одном ядре крайне маловероятен. Таким образом, экспериментально наблюдаемые времена жизни таких процессов распада находятся в диапазоне лет. Уже наблюдалось несколько изотопов , демонстрирующих этот двойной бета-распад с двумя нейтрино. ${\ displaystyle 10 ^ {18} -10 ^ {21}}$

Это обычный двойной бета - распад разрешен в стандартной модели в физике элементарных частиц . Таким образом, он имеет как теоретическую, так и экспериментальную основу.

Обзор

Диаграмма Фейнмана безнейтринного двойного бета-распада. Здесь два нейтрона распадаются на два протона и два электрона, но нейтрино не находится в конечном состоянии. Существование этого механизма требует, чтобы нейтрино были майорановскими частицами.

Если природа нейтрино майорановская, то они могут испускаться и поглощаться одним и тем же процессом, не появляясь в соответствующем конечном состоянии. Как дираковские частицы , оба нейтрино, образованные распадом W-бозонов , будут испускаться, а не поглощаться после этого.

Безнейтринный двойной бета-распад может произойти только в том случае, если

нейтринная частица - Майорана, а
существует правой составляющей слабого лептонного тока или нейтрино может изменить свою беспристрастность между излучением и поглощением (между двумя W вершинами), что возможно для ненулевой массы нейтрино (по крайней мере , одного из видов нейтрино ).

Простейший процесс распада известен как обмен легкими нейтрино. Он состоит из одного нейтрино, испускаемого одним нуклоном и поглощаемого другим нуклоном (см. Рисунок справа). В конечном состоянии остаются только ядро (с измененным числом протонов ) и два электрона: ${\ displaystyle Z}$

{\ displaystyle (A, Z) \ rightarrow (A, Z + 2) + 2e ^ {-}}

Два электрона испускаются квазиодновременно.

Таким образом, два образовавшихся электрона являются единственными испускаемыми частицами в конечном состоянии и должны нести примерно разность сумм энергий связи двух ядер до и после процесса в качестве их кинетической энергии. Тяжелые ядра не несут значительной кинетической энергии. Электроны будут испускаться один за другим из-за сохранения импульса .

В этом случае скорость распада может быть рассчитана с помощью

{\ Displaystyle \ Gamma _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu} = {\ frac {1} {T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}}} = G ^ {0 \ nu} \ cdot \ left | M ^ {0 \ nu} \ right | ^ {2} \ cdot \ langle m _ {\ beta \ beta} \ rangle ^ {2}}

,

где обозначает фактор фазового пространства , (квадрат) матричный элемент этого процесса ядерного распада (согласно диаграмме Фейнмана) и квадрат эффективной массы Майорана. ${\ displaystyle G ^ {0 \ nu}}$ ${\ Displaystyle \ влево | М ^ {0 \ ню} \ вправо | ^ {2}}$ ${\ Displaystyle \ langle м _ {\ бета \ бета} \ rangle ^ {2}}$

Во-первых, эффективная масса Майорана может быть получена следующим образом:

{\ displaystyle \ langle m _ {\ beta \ beta} \ rangle = \ sum _ {i} U_ {ei} ^ {2} m_ {i}}

,

где - массы майорановских нейтрино (три нейтрино ) и элементы матрицы смешения нейтрино (см. матрицу PMNS ). Современные эксперименты по поиску безнейтринных двойных бета-распадов (см. Раздел об экспериментах ) направлены как на доказательство майорановской природы нейтрино, так и на измерение этой эффективной майорановской массы (может быть выполнено только в том случае, если распад действительно генерируется массами нейтрино). ${\ displaystyle m_ {i}}$ ${\ displaystyle \ nu _ {я}}$ ${\ displaystyle U_ {ei}}$ ${\ displaystyle U}$ ${\ Displaystyle \ langle м _ {\ бета \ бета} \ rangle}$

Ядерный матричный элемент (ЯМЭ) не может быть измерен независимо; он должен, но также может быть рассчитан. Сам расчет основан на сложных ядерных теориях многих тел, и для этого существуют разные методы. NME также отличается от ядра к ядру (то есть от химического элемента к химическому элементу). Сегодня расчет NME представляет собой серьезную проблему, и разные авторы по-разному трактовали ее. Возникает вопрос, следует ли рассматривать диапазон полученных значений как теоретическую неопределенность и следует ли понимать это как статистическую неопределенность. Здесь выбираются разные подходы. Полученные значения часто варьируются от 2 до примерно 5. Типичные значения лежат в диапазоне примерно от 0,9 до 14, в зависимости от распадающегося ядра / элемента. ${\ Displaystyle \ влево | М ^ {0 \ ню} \ вправо |}$ ${\ Displaystyle \ влево | М ^ {0 \ ню} \ вправо |}$ ${\ Displaystyle \ влево | М ^ {0 \ ню} \ вправо |}$ ${\ Displaystyle \ влево | М ^ {0 \ ню} \ вправо |}$

Наконец, необходимо также рассчитать фактор фазового пространства . Это зависит от общей выделенной кинетической энергии ( то есть « -значения») и атомного номера . В методах используются волновые функции Дирака , конечные размеры ядер и экранирование электронов. Существуют высокоточные результаты для различных ядер, в диапазоне от примерно 0,23 (для ) и 0,90 ( ) до примерно 24,14 ( ). ${\ displaystyle G ^ {0 \ nu}}$ ${\ displaystyle Q = M _ {\ text {ядро}} ^ {\ text {before}} - M _ {\ text {ядро}} ^ {\ text {after}} - 2m _ {\ text {электрон}}}$ ${\ displaystyle Q}$ ${\ displaystyle Z}$ ${\ displaystyle G ^ {0 \ nu}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {^ {128} _ {52} Te \ rightarrow _ {54} ^ {128} Xe}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {^ {76} _ {32} Ge \ rightarrow _ {34} ^ {76} Se}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {^ {150} _ {60} Nd \ rightarrow _ {62} ^ {150} Sm}}$

Считается, что если безнейтринный двойной бета-распад будет обнаружен при определенных условиях (скорость распада совместима с предсказаниями, основанными на экспериментальных знаниях о массах и смешивании нейтрино), это действительно «вероятно» укажет на майорановские нейтрино как на главный посредник (а не на другой источники новой физики). Существует 35 ядер, которые могут подвергнуться безнейтринному двойному бета-распаду (согласно вышеупомянутым условиям распада).

Эксперименты и результаты

Девять различных кандидатов ядер рассматриваются в экспериментах для подтверждения безнейтринного двойного бета-распада: . У всех есть аргументы за и против их использования в эксперименте. Факторы, которые должны быть включены и пересмотрены, - это естественное изобилие , обогащение по разумной цене, а также хорошо изученная и контролируемая экспериментальная техника. Чем выше -значение, тем выше принципиальные шансы на открытие. Фактор фазового пространства и, следовательно, скорость затухания растут с . ${\ displaystyle \ mathrm {^ {48} Ca, ^ {76} Ge, ^ {82} Se, ^ {96} Zr, ^ {100} Mo, ^ {116} Cd, ^ {130} Te, ^ { 136} Xe, ^ {150} Nd}}$ ${\ displaystyle Q}$ ${\ displaystyle G ^ {0 \ nu}}$ ${\ displaystyle Q ^ {5}}$

Экспериментальный интерес представляет собой измеренную таким образом сумму кинетических энергий двух испускаемых электронов. Оно должно равняться -значению соответствующего ядра для безнейтринного двойного бета-излучения. ${\ displaystyle Q}$

В таблице приведены лучшие на данный момент ограничения на время жизни 0νββ. Из этого можно сделать вывод, что безнейтринный двойной бета-распад - чрезвычайно редкий процесс, если он вообще происходит.

Экспериментальные ограничения (не менее 90% CL ) для набора изотопов для процесса распада 0νββ, опосредованного механизмом легких нейтрино, как показано на диаграмме Фейнмана выше.
Изотоп	Эксперимент	срок службы [годы] ${\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}}$
${\ displaystyle \ mathrm {^ {48} Ca}}$	ЭЛЕГАНТ-VI	${\ displaystyle> 1,4 \ cdot 10 ^ {22}}$
${\ displaystyle \ mathrm {^ {76} Ge}}$	Гейдельберг-Москва	${\ displaystyle> 1.9 \ cdot 10 ^ {25}}$
${\ displaystyle \ mathrm {^ {76} Ge}}$	ГЕРДА	${\ Displaystyle> 2.1 \ cdot 10 ^ {25}}$
${\ displaystyle \ mathrm {^ {82} Se}}$	НЕМО- 3	${\ displaystyle> 1.0 \ cdot 10 ^ {23}}$
${\ Displaystyle \ mathrm {^ {96} Zr}}$	НЕМО-3	${\ displaystyle> 9.2 \ cdot 10 ^ {21}}$
${\ displaystyle \ mathrm {^ {100} Mo}}$	НЕМО-3	${\ Displaystyle> 2.1 \ cdot 10 ^ {25}}$
${\ displaystyle \ mathrm {^ {116} компакт-диск}}$	Солотвина	${\ displaystyle> 1,7 \ cdot 10 ^ {23}}$
${\ displaystyle \ mathrm {^ {130} Te}}$	CUORE	${\ Displaystyle> 3,2 \ cdot 10 ^ {25}}$
${\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}}$	ЭКЗО	${\ Displaystyle> 1.1 \ cdot 10 ^ {25}}$
${\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}}$	КамЛАНД-Дзен	${\ displaystyle> 2,6 \ cdot 10 ^ {25}}$
${\ displaystyle \ mathrm {^ {150} Nd}}$	НЕМО-3	${\ Displaystyle> 2.1 \ cdot 10 ^ {25}}$

Сотрудничество Гейдельберг-Москва

Так называемое «сотрудничество Гейдельберга и Москвы» (HDM) немецкого Института Макса Планка и Российского научного центра Курчатовский институт в Москве, как известно, заявило, что обнаружило «доказательства безнейтринного двойного бета-распада». Первоначально, в 2001 году, коллаборация объявила свидетельство 2.2σ или 3.1σ (в зависимости от используемого метода расчета). Скорость распада составила около нескольких лет. Этот результат был предметом дискуссий многих ученых и авторов. По сей день ни один другой эксперимент не подтвердил или не одобрил результат группы HDM. Вместо этого, недавние результаты эксперимента GERDA для предела времени жизни явно не в пользу и отвергают ценности сотрудничества HDM. ${\ displaystyle 2 \ cdot 10 ^ {25}}$

Безнейтринный двойной бета-распад пока не обнаружен.

В настоящее время эксперименты по сбору данных

Эксперимент GERDA (Germanium Detector Array) :
- Результатом первой фазы детектора, разработанным коллаборацией GERDA, является ограничение в годы (90% CL). Он использует германий как в качестве источника, так и в качестве материала детектора. Жидкий аргон используется для вето мюонов и в качестве защиты от фонового излучения. -Value германия для 0νββ распада 2039 кэВ, но не избыток событий в этом регионе не было найдено. Сбор данных на этапе II эксперимента начался в 2015 году, и для детекторов используется около 36 кг германия. Воздействие, проанализированное до июля 2020 года, составляет 10,8 кг в год. Опять же, никакого сигнала обнаружено не было, и поэтому был установлен новый лимит на годы (90% CL). Сообщается, что детектор работает должным образом. ${\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}> 2,1 \ cdot 10 ^ {25}}$ ${\ displaystyle Q}$ ${\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}> 5,3 \ cdot 10 ^ {25}}$
Эксперимент EXO (Обсерватория обогащенного ксенона) :
- В эксперименте Enriched Xenon Observatory-200 ксенон используется как в качестве источника, так и в качестве детектора. Эксперимент расположен в Нью-Мексико (США) и использует камеру временной проекции (TPC) для трехмерного пространственного и временного разрешения отложений электронных треков. Эксперимент EXO-200 дал менее чувствительные результаты, чем GERDA I и II, с ограничением срока службы в несколько лет (90% CL). ${\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}> 1.1 \ cdot 10 ^ {25}}$
KamLAND -Zen (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector-Zen) эксперимент :
- Эксперимент KamLAND-Zen начался с использованием 13 тонн ксенона в качестве источника (обогащенного примерно 320 кг ), содержащегося в нейлоновом баллоне, окруженном внешним баллоном с жидким сцинтиллятором диаметром 13 м. Начиная с 2011 г., KamLAND-Zen Phase I начал сбор данных, что в конечном итоге привело к установлению ограничения на время жизни безнейтринного двойного бета-распада в годах (90% CL). Этот предел можно улучшить, объединив данные фазы II (сбор данных начался в декабре 2013 г.) до лет (90% CL). Для фазы II коллаборации особенно удалось уменьшить распад , который нарушил измерения в интересующей области для 0νββ распада . В августе 2018 года был завершен KamLAND-Zen 800, содержащий 800 кг . Сообщается, что в настоящее время это самый крупный и чувствительный эксперимент в мире по поиску безнейтринного двойного бета-распада. ${\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}}$ ${\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}> 1.9 \ cdot 10 ^ {25}}$ ${\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}> 2,6 \ cdot 10 ^ {25}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {^ {110m} Ag}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}}$

Предлагаемые / будущие эксперименты

Эксперимент nEXO :
- Планируется, что как преемник EXO-200, nEXO станет экспериментом в тонном масштабе и частью следующего поколения экспериментов 0νββ. Планируется, что материал детектора весит около 5 т, обеспечивая разрешение по энергии 1% при значении -значении. Планируется, что после 10 лет сбора данных экспериментальная чувствительность будет составлять около лет. ${\ displaystyle Q}$ ${\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}> 9,5 \ cdot 10 ^ {27}}$

Languages

In other projects