Безнейтринный двойной бета-распад

Ядерная физика
Ядро  · Нуклоны  ( p , n )  · Ядерная материя  · Ядерная сила  · Ядерная структура  · Ядерная реакция
Модели ядра Жидкая капля  · Модель ядерной оболочки  · Модель взаимодействующих бозонов  · Ab initio
Классификация нуклидов Изотопы - равны Z Изобары - равны A Изотоны - равны N изодиафер - равны N  -  Z       Изомеры - равны всем вышеперечисленным зеркальным ядрам  - Z St N Стабильный  · Магия  · Четный / нечетный  · Ореол  ( Борромео )
Ядерная стабильность Энергия связи  · Соотношение p – n  · Капельная линия  · Остров стабильности  · Долина стабильности  · Стабильный нуклид
Радиоактивный распад Альфа α  · Бета β  ( 2β ( 0v ), β + )  · Захват K / L  · Изомерный  ( Гамма γ  · Внутреннее преобразование )  · Спонтанное деление  · Распад кластера  · Эмиссия нейтронов  · Эмиссия протонов Распад энергия  · Распад цепь  · Распад продукт  · Радиогенная нуклид
Ядерное деление Спонтанное  · Продукты  ( разрыв пары )  · Фотоделение
Процессы захвата электрон ( 2 × )  · нейтрон  ( s  · r )  · протон  ( p  · rp )
Высокоэнергетические процессы Расщепление ( космическими лучами )  · Фотодезинтеграция
Нуклеосинтез и ядерная астрофизика Процессы ядерного синтеза : звездные  · Большой взрыв  · Нуклиды сверхновых : изначальные  · космогенные  · искусственные
Ядерная физика высоких энергий Кварк-глюонная плазма  · RHIC  · LHC
Ученые Альварес  · Беккерель  · Бете  · А. Бор  · Н. Бор  · Чедвик  · Кокрофт  · Ир. Кюри  · о. Кюри  · Пи. Кюри  · Склодовская-Кюри  · Дэвиссон  · Ферми  · Хан  · Йенсен  · Лоуренс  · Майер  · Мейтнер  · Олифант  · Оппенгеймер  · Прока  · Перселл  · Раби  · Резерфорд  · Содди · Штрассманн  · Свинтецкий  · Сцилард  · Теллер  · Томсон  · Уолтон  · Вигнер
v т е

Безнейтринный двойной бета - распад (0νββ) является широко предложен и экспериментально преследовало теоретический радиоактивный распад процесс , который бы доказать майорановскую природу нейтрино частицы . ^{[1] [2]} По сей день не найдено. ^{[2] [3] [4]}

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 . ^[5] майорановская природа нейтрино подтвердит , что собственные нейтрино в античастице ничем не отличается , чем он сам, т.е. есть своя античастица. ^[6]

Для поиска безнейтринного двойного бета-распада в настоящее время проводится ряд экспериментов, а также предлагается несколько будущих экспериментов для повышения чувствительности. ^[7]

Историческое развитие теоретической дискуссии [ править ]

Еще в 1939 году Венделл Х. Ферри выдвинул идею майорановской природы нейтрино, которая была связана с бета-распадами. ^[8] Фарри заявил, что вероятность перехода будет даже выше для нейтрино без двойного бета-распада. ^[8] Это была первая идея, предложенная для поиска нарушения сохранения лептонного числа. ^[1] С тех пор он привлек внимание к своей полезности 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 ^[9]

Итальянский физик Этторе Майорана первым ввел понятие частицы как античастицы. ^[6] Природа частиц впоследствии была названа в его честь как частицы Майораны. Безнейтринный двойной бета-распад - один из методов поиска возможной майорановской природы нейтрино. ^[5]

Физическая значимость [ править ]

Обычный двойной бета-распад [ править ]

Обычно нейтрино образуются при слабых распадах. ^[5] 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). ^[2] Эти ядра могут распадаться только при испускании двух${\ displaystyle Z}$электроны (то есть через двойной бета-распад ). Существует около десятка подтвержденных случаев ядер, которые могут распадаться только посредством двойного бета-распада. ^[2] Соответствующее уравнение распада:

${\ displaystyle (A, Z) \ rightarrow (A, Z + 2) + 2e ^ {-} + 2 {\ bar {\ nu}} _ {e}}$. ^[1]

Это слабый процесс второго порядка. ^[2] Одновременный распад двух нуклонов в одном ядре крайне маловероятен. Таким образом, экспериментально наблюдаемые времена жизни таких процессов распада находятся в диапазоне лет. ^[10] Уже наблюдалось несколько изотопов , демонстрирующих этот двойной бета-распад с двумя нейтрино. ^[3]${\ displaystyle 10 ^ {18} -10 ^ {21}}$

Это обычный двойной бета - распад разрешен в стандартной модели в физике элементарных частиц . ^[3] Таким образом, он имеет как теоретическую, так и экспериментальную основу.

Обзор [ править ]

Если природа нейтрино майорановская, то они могут испускаться и поглощаться одним и тем же процессом, не появляясь в соответствующем конечном состоянии. ^[3] Как дираковские частицы , оба нейтрино, образованные распадом W-бозонов , будут испускаться, а не поглощаться после этого. ^[3]

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

• нейтринная частица - Майорана, ^[11] и
• 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 ). ^[1]

Простейший процесс распада известен как обмен легкими нейтрино. ^[3] 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:${\ displaystyle Z}$

${\ displaystyle (A, Z) \ rightarrow (A, Z + 2) + 2e ^ {-}}$^[1]

Два электрона испускаются квазиодновременно. ^[10]

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. ^[12] Тяжелые ядра не несут значительной кинетической энергии. Электроны будут испускаться один за другим из-за сохранения импульса . ^[12]

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. ^[5]${\displaystyle G^{0\nu }}$${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|^{2}}$${\displaystyle \langle m_{\beta \beta }\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 ). ^[7] 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 нейтрино. масс). ^[7]${\displaystyle m_{i}}$${\displaystyle \nu _{i}}$${\displaystyle U_{ei}}$${\displaystyle U}$${\displaystyle \langle m_{\beta \beta }\rangle }$

Ядерный матричный элемент (ЯМЭ) не может быть измерен независимо; ^{[ почему? ]} он должен, но также может быть вычислен. ^[13] 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. ^[7]${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$Здесь выбираются разные подходы. Полученные значения часто варьируются от 2 до примерно 5. Типичные значения лежат в диапазоне примерно от 0,9 до 14, в зависимости от распадающегося ядра / элемента. ^[7]${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$

Наконец, необходимо также рассчитать фактор фазового пространства . ^[7] 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. ^[7] Существуют результаты с высокой точностью для различных ядер, в диапазоне от примерно 0,23 (для ) и 0,90 ( ) до примерно 24,14 ( ). ^[7]${\displaystyle G^{0\nu }}$${\displaystyle Q=M_{\text{nucleus}}^{\text{before}}-M_{\text{nucleus}}^{\text{after}}-2m_{\text{electron}}}$${\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). ^[7] Существует 35 ядер, которые могут подвергаться безнейтринному двойному бета-распаду (согласно вышеупомянутым условиям распада). ^[3]

Эксперименты и результаты [ править ]

Девять различных кандидатов ядер рассматриваются в экспериментах для подтверждения безнейтринного двойного бета-распада: . ^[3] 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. ^[3] Чем выше -значение, тем выше в принципе шансы на открытие. Фактор фазового пространства и, следовательно, скорость затухания растут с . ^[3]${\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}}$

Экспериментально представляет интерес и, таким образом, измеряется сумма кинетических энергий двух испускаемых электронов. Оно должно равняться -значению соответствующего ядра для безнейтринного двойного бета-излучения. ^[3]${\displaystyle Q}$

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 ) ^[7] 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 [14]	${\displaystyle >1.9\cdot 10^{25}}$[14]
${\displaystyle \mathrm {^{76}Ge} }$	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	${\displaystyle >2.1\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{116}Cd} }$	Солотвина	${\displaystyle >1.7\cdot 10^{23}}$
${\displaystyle \mathrm {^{130}Te} }$	CUORE	${\displaystyle >3.2\cdot 10^{25}}$[15]
${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$	ЭКЗО	${\displaystyle >1.1\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$	КамЛАНД-Дзен	${\displaystyle >2.6\cdot 10^{25}}$[16]
${\displaystyle \mathrm {^{150}Nd} }$	НЕМО-3	${\displaystyle >2.1\cdot 10^{25}}$

Сотрудничество Гейдельберга и Москвы [ править ]

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». ^[17] Первоначально, в 2001 году, коллаборация объявила доказательство 2.2σ или 3.1σ (в зависимости от используемого метода расчета). ^[17] Было установлено, что скорость распада составляет около нескольких лет. ^[3] Этот результат обсуждался многими учеными и авторами. ^[3] На сегодняшний день ни один другой эксперимент не подтвердил или не одобрил результат группы HDM. ^[7]${\displaystyle 2\cdot 10^{25}}$Вместо этого, недавние результаты эксперимента GERDA для предела времени жизни явно не в пользу и отвергают ценности сотрудничества HDM. ^[7]

Безнейтринный двойной бета-распад пока не обнаружен. ^[4]

В настоящее время проводятся эксперименты по сбору данных [ править ]

• Эксперимент GERDA (Germanium Detector Array) :
  • Результатом первой фазы детектора, разработанным коллаборацией GERDA, является ограничение в годы (90% CL). ^[16] Он использует германий как в качестве материала источника, так и детектора. ^[16] Жидкий аргон используется для вето мюонов и в качестве защиты от фонового излучения. ^[16] -value германия для 0νββ распада 2039 кэВ, но не было обнаружено превышение событий в этом регионе. ^[18] Фаза II эксперимента началась в 2015 году, и для детекторов используется около 36 кг германия. ^[18] 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).${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.1\cdot 10^{25}}$${\displaystyle Q}$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>5.3\cdot 10^{25}}$^[19] Сообщается, что детектор работает должным образом. ^[19]
• Эксперимент EXO (Обсерватория обогащенного ксенона) :
  • В эксперименте Enriched Xenon Observatory-200 ксенон используется как в качестве источника, так и в качестве детектора. ^[16] Эксперимент расположен в Нью-Мексико (США) и использует камеру временной проекции (TPC) для трехмерного пространственного и временного разрешения отложений электронных треков. ^[16] Эксперимент EXO-200 дал менее чувствительные результаты, чем GERDA I и II, с ограничением срока службы в несколько лет (90% CL). ^[16]${\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. ^[16] Начиная с 2011 года, 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). ^[16] Этот предел можно улучшить, объединив данные фазы II (сбор данных начался в декабре 2013 г.) до лет (90% CL). ^[16] Для фазы II коллаборации особенно удалось уменьшить распад , который нарушил измерения в интересующей области для распада 0νββ .${\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} }$^[16] В августе 2018 годабыла завершена установка KamLAND-Zen 800, содержащая 800 кг. ^[20] Сообщается, что в настоящее время это самый большой и самый чувствительный эксперимент в мире по поиску безнейтринного двойного бета-распада. ^{[20] [21]}${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$

Предлагаемые / будущие эксперименты [ править ]

• Эксперимент nEXO :
  • Планируется, что как преемник EXO-200, nEXO станет экспериментом в тонном масштабе и частью следующего поколения экспериментов 0νββ. ^[22] Планируется, что материал детектора весит около 5 т, обеспечивая разрешение по энергии 1% при значении -значении. ^[22] Планируется, что эксперимент будет обеспечивать чувствительность в течение всего срока службы около лет после 10 лет сбора данных. ^[22]${\displaystyle Q}$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>9.5\cdot 10^{27}}$

См. Также [ править ]

• Двойной бета-распад
• Противоречие между Гейдельбергом и Москвой

Ссылки [ править ]