Безнейтринный двойной бета-распад

Безнейтринный двойной бета-распад ( 0νββ ) представляет собой обычно предлагаемый и экспериментально проводимый теоретический процесс радиоактивного распада , который доказывает майорановскую природу нейтринной частицы . По сей день оно не найдено.

Открытие безнейтринного двойного бета-распада могло бы пролить свет на абсолютные массы нейтрино и на их иерархию масс ( масса нейтрино ). Это означало бы первый в истории сигнал о нарушении сохранения полного лептонного числа . Майорановская природа нейтрино подтвердила бы, что нейтрино является собственной античастицей .

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

Историческое развитие теоретической дискуссии

В 1939 году Уэнделл Х. Фурри выдвинул идею о майорановской природе нейтрино, связанную с бета-распадом. Фурри заявил, что вероятность перехода даже выше для нейтрино без двойного бета-распада. Это была первая идея, предложенная для поиска нарушения сохранения лептонного числа. С тех пор на него обратили внимание как на его полезность для изучения природы нейтрино (см. цитату).

[T]he 0ν мода [...], которая нарушает лептонное число и уже давно признана мощным инструментом для проверки свойств нейтрино.
— Оливьеро Кремонези

Итальянский физик Этторе Майорана впервые ввел понятие частицы как собственной античастицы. Частицы такой природы впоследствии были названы в его честь частицами Майорана. Безнейтринный двойной бета-распад - один из методов поиска возможной майорановской природы нейтрино.

Этторе Майорана первым высказал идею об идентичности частиц и античастиц.

Физическая значимость

Обычный двойной бета-распад

Нейтрино традиционно рождаются при слабых распадах. Слабые бета-распады обычно производят один электрон (или позитрон ), испускают антинейтрино (или нейтрино) и увеличивают ядре . в число протонов $Z$ по одному. Масса ядра (т.е. энергия связи ) тогда ниже и, следовательно, более выгодна. Существует ряд элементов, которые могут распасться на ядро ​​меньшей массы, но испустить один электрон они не могут только потому, что образовавшееся ядро ​​кинематически (т. е. по энергии) невыгодно (его энергия была бы выше). Эти ядра могут распадаться только путем испускания двух электронов (то есть посредством двойного бета-распада ). Существует около дюжины подтвержденных случаев ядер, которые могут распадаться только посредством двойного бета-распада. Соответствующее уравнение распада:

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

Это слабый процесс второго порядка. Одновременный распад двух нуклонов в одном ядре крайне маловероятен. Таким образом, экспериментально наблюдаемые времена жизни таких процессов распада лежат в пределах $10^{18}-10^{21}$ годы. ряд изотопов , демонстрирующих этот двойной бета-распад с двумя нейтрино. Уже наблюдался

Этот обычный двойной бета-распад допускается в Стандартной модели физики элементарных частиц . Таким образом, оно 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 ни одно нейтрино не находится в конечном состоянии. Существование этого механизма потребовало бы, чтобы нейтрино были майорановскими частицами.

Если природа нейтрино майорановская, то они могут излучаться и поглощаться в одном и том же процессе, не проявляясь в соответствующем конечном состоянии. Как частицы Дирака , оба нейтрино, образовавшиеся в результате распада W-бозонов, будут испускаться, а не поглощаться после этого.

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

• частица нейтрино – Майорана, и
• существует правая компонента слабого лептонного тока или нейтрино может менять свою направленность между испусканием и поглощением (между двумя вершинами W), что возможно при ненулевой массе нейтрино (хотя бы для одного из видов нейтрино ).

Простейший процесс распада известен как обмен легкими нейтрино. Он представляет собой одно нейтрино, испускаемое одним нуклоном и поглощаемое другим нуклоном (см. рисунок справа). В конечном состоянии единственными оставшимися частями являются ядро ​​(с измененным числом протонов $Z$) и два электрона:

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

Два электрона испускаются квазиодновременно.

Два образующихся электрона тогда являются единственными испущенными частицами в конечном состоянии и должны нести примерно разницу сумм энергий связи двух ядер до и после процесса в качестве их кинетической энергии. Тяжелые ядра не несут значительной кинетической энергии.

В этом случае скорость распада можно рассчитать по формуле

$\Gamma _{\beta \beta }^{0\nu }={\frac {1}{T_{\beta \beta }^{0\nu }}}=G^{0\nu }\cdot \left|M^{0\nu }\right|^{2}\cdot \langle m_{\beta \beta }\rangle ^{2}$,

где $G^{0\nu }$ обозначает коэффициент фазового пространства , $\left|M^{0\nu }\right|^{2}$ (квадратный) матричный элемент этого процесса ядерного распада (согласно диаграмме Фейнмана) и $\langle m_{\beta \beta }\rangle ^{2}$ квадрат эффективной майорановской массы.

Во-первых, эффективная майорановская масса может быть получена формулой

$\langle m_{\beta \beta }\rangle =\sum _{i}U_{ei}^{2}m_{i}$,

где $m_{i}$ – массы майорановских нейтрино (три нейтрино $\nu _{i}$) и $U_{ei}$ элементы матрицы смешивания нейтрино $U$ (см. матрицу PMNS ). Современные эксперименты по обнаружению безнейтринного двойного бета-распада (см. раздел об экспериментах ) направлены как на доказательство майорановской природы нейтрино, так и на измерение этой эффективной майорановской массы. $\langle m_{\beta \beta }\rangle$ (это можно сделать только в том случае, если распад действительно генерируется массами нейтрино).

Ядерный матричный элемент (НМЭ) $\left|M^{0\nu }\right|$ не могут быть измерены независимо; его необходимо, но также можно рассчитать. Сами расчеты основаны на сложных ядерных теориях многих тел, и для этого существуют разные методы. НМЭ $\left|M^{0\nu }\right|$ также отличается от ядра к ядру (т.е. от химического элемента к химическому элементу). На сегодняшний день расчет НМЭ является существенной проблемой и разными авторами трактуется по-разному. Один вопрос заключается в том, следует ли рассматривать диапазон полученных значений для $\left|M^{0\nu }\right|$ как теоретическая неопределенность и следует ли ее тогда понимать как статистическую неопределенность. Здесь выбираются разные подходы. Полученные значения для $\left|M^{0\nu }\right|$ часто варьируются от 2 до примерно 5 раз. Типичные значения лежат в диапазоне примерно от 0,9 до 14, в зависимости от распадающегося ядра/элемента.

Наконец, фактор фазового пространства $G^{0\nu }$ также необходимо рассчитать. Она зависит от полной выделяемой кинетической энергии ( $Q=M_{\text{nucleus}}^{\text{before}}-M_{\text{nucleus}}^{\text{after}}-2m_{\text{electron}}$, то есть " $Q$-значение") и атомный номер $Z$. В методах используются Дирака волновые функции , конечные размеры ядер и электронное экранирование. Существуют высокоточные результаты для $G^{0\nu }$ для различных ядер в пределах примерно 0,23 (для $\mathrm {^{128}_{52}Te\rightarrow _{54}^{128}Xe}$) и 0,90 ( $\mathrm {^{76}_{32}Ge\rightarrow _{34}^{76}Se}$) примерно до 24,14 ( $\mathrm {^{150}_{60}Nd\rightarrow _{62}^{150}Sm}$).

Считается, что если при определенных условиях будет обнаружен безнейтринный двойной бета-распад (скорость распада совместима с предсказаниями, основанными на экспериментальных знаниях о массах и смешивании нейтрино), это действительно «вероятно» укажет на майорановские нейтрино как на главного посредника (а не на другие источники новой физики). Существует 35 ядер, которые могут подвергаться безнейтринному двойному бета-распаду (в соответствии с вышеупомянутыми условиями распада).

Эксперименты и результаты

В экспериментах по подтверждению безнейтринного двойного бета-распада рассматриваются девять различных кандидатов в ядра: $\mathrm {^{48}Ca,^{76}Ge,^{82}Se,^{96}Zr,^{100}Mo,^{116}Cd,^{130}Te,^{136}Xe,^{150}Nd}$. У всех есть аргументы за и против их использования в эксперименте. Факторами, которые следует включить и пересмотреть, являются естественное изобилие , обогащение по разумной цене, а также хорошо понятная и контролируемая экспериментальная техника. Чем выше $Q$-ценность, тем выше шансы на открытие в принципе. Фактор фазового пространства $G^{0\nu }$, и, следовательно, скорость распада растет с $Q^{5}$.

Экспериментально представляет интерес и поэтому измеряется сумма кинетических энергий двух испущенных электронов. Оно должно равняться $Q$-значение соответствующего ядра для безнейтринного двойного бета-излучения.

В таблице представлена ​​сводка лучших на данный момент ограничений времени жизни 0νββ. Отсюда можно сделать вывод, что безнейтринный двойной бета-распад — чрезвычайно редкий процесс, если он вообще происходит.

Экспериментальные пределы (не менее 90% ДИ ) на наборе изотопов для процесса распада 0νββ, опосредованного механизмом легких нейтрино, как показано на диаграмме Фейнмана выше.

Изотоп	Эксперимент	продолжительность жизни $T_{\beta \beta }^{0\nu }$ [годы]
$\mathrm {^{48}Ca}$	ЭЛЕГАНТ-VI	$>1.4\cdot 10^{22}$
$\mathrm {^{76}Ge}$	Гейдельберг-Москва	$>1.9\cdot 10^{25}$
$\mathrm {^{76}Ge}$	ГЕРДА	$>1.8\cdot 10^{26}$
$\mathrm {^{76}Ge}$	МАЙОРАНА	$>8.3\cdot 10^{25}$
$\mathrm {^{82}Se}$	НЕМО -3	$>1.0\cdot 10^{23}$
$\mathrm {^{82}Se}$	КУПИДОН-0	$>4.6\cdot 10^{24}$
$\mathrm {^{96}Zr}$	НЕМО-3	$>9.2\cdot 10^{21}$
$\mathrm {^{100}Mo}$	НЕМО-3	$>2.1\cdot 10^{25}$
$\mathrm {^{116}Cd}$	Солотвина	$>1.7\cdot 10^{23}$
$\mathrm {^{128}Te}$	СЕРДЦЕ	$>3.6\cdot 10^{24}$
$\mathrm {^{130}Te}$	СЕРДЦЕ	$>2.2\cdot 10^{25}$
$\mathrm {^{136}Xe}$	ЭКЗО	$>3.5\cdot 10^{25}$
$\mathrm {^{136}Xe}$	КамЛАНД-Дзен	$>2.3\cdot 10^{26}$
$\mathrm {^{150}Nd}$	НЕМО-3	$>2.1\cdot 10^{25}$

Сотрудничество Гейдельберг-Москва

Так называемое «Гейдельбергско-Московское сотрудничество» (HDM; 1990–2003) немецкого Института Кернфизики Макса Планка и российского научного центра Курчатовского института в Москве, как известно, заявило, что обнаружило «доказательства безнейтринного двойного бета-распада» ( Гейдельбергско-московский спор ). Первоначально в 2001 году коллаборация объявила о свидетельстве 2,2σ или 3,1σ (в зависимости от используемого метода расчета). Было обнаружено, что скорость распада составляет около $2\cdot 10^{25}$ годы. Этот результат был темой дискуссий между многими учеными и авторами. По сей день ни один другой эксперимент не подтвердил и не подтвердил результат группы HDM. Вместо этого недавние результаты эксперимента GERDA по пределу продолжительности жизни явно ставят в невыгоду и отвергают ценности сотрудничества HDM.

Безнейтринный двойной бета-распад пока не обнаружен.

Эксперимент GERDA (детекторная матрица германия)

Результатом работы коллаборации Germanium Detector Array (GERDA) на этапе I детектора был предел $T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.1\cdot 10^{25}$ лет (90% CL). использовался германий . В качестве материала источника и детектора Жидкий аргон использовался для блокировки мюонов и защиты от фонового излучения. $Q$-значение ⁷⁶
Ge для распада 0νββ составляет 2039 кэВ, но избытка событий в этой области не обнаружено. На втором этапе эксперимента сбор данных начался в 2015 году, и для детекторов было использовано около 36 кг германия. Проанализированная экспозиция до июля 2020 г. составила 10,8 кг/год. Опять же, сигнал не был найден, и поэтому был установлен новый предел. $T_{\beta \beta }^{0\nu }>5.3\cdot 10^{25}$ лет (90% CL). Детектор прекратил работу и опубликовал окончательные результаты в декабре 2020 года. Никакого безнейтринного двойного бета-распада не наблюдалось.

Эксперимент EXO (Обсерватория обогащенного ксенона)

В эксперименте «Обсерватория обогащенного ксенона-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 осаждений электронных треков. Эксперимент EXO-200 установил предел времени жизни $T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.5\cdot 10^{25}$ лет (90% CL). В переводе на эффективную майорановскую массу это предел того же порядка, что и полученный с помощью GERDA I и II.

Текущие эксперименты по сбору данных

• Эксперимент CUORE (Криогенная подземная обсерватория редких событий) :
  • Эксперимент CUORE состоит из массива из 988 ультрахолодных кристаллов TeO ₂ (общей массой 206 кг). $\mathrm {^{130}Te}$) используются в качестве болометров для обнаружения испускаемых бета-частиц и в качестве источника распада. CUORE расположен под землей в Национальной лаборатории Гран-Сассо и начал свой первый анализ физических данных в 2017 году. CUORE опубликовал в 2020 году результаты поиска безнейтринного двойного бета-распада в $\mathrm {^{130}Te}$ с общим воздействием 372,5 кг⋅год, не обнаружив никаких доказательств распада 0νββ и установив байесовский нижний предел 90% ДИ $T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.2\cdot 10^{25}$ годы а в апреле 2022 года был установлен новый лимит на $T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.2\cdot 10^{25}$ лет на том же уровне достоверности. Эксперимент постоянно собирает данные, и ожидается, что его физическая программа будет завершена к 2024 году.
• Эксперимент KamLAND-Zen (Жидкий сцинтилляторный детектор антинейтрино Kamioka-Zen) :
  • Эксперимент KamLAND-Zen начался с использования в качестве источника 13 тонн ксенона (обогащенного около 320 кг $\mathrm {^{136}Xe}$), содержащийся в нейлоновом баллоне, окруженном внешним баллоном с жидким сцинтиллятором диаметром 13 м. Начиная с 2011 года, фаза I KamLAND-Zen начала сбор данных, что в конечном итоге привело к установлению ограничения на время жизни безнейтринного двойного бета-распада $T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.9\cdot 10^{25}$ лет (90% CL). Этот предел можно улучшить, объединив его с данными этапа II (сбор данных начался в декабре 2013 г.), чтобы $T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.6\cdot 10^{25}$ лет (90% CL). На этапе II сотрудничество особенно помогло уменьшить распад $\mathrm {^{110m}Ag}$, что мешало измерениям в интересующей области 0νββ-распада $\mathrm {^{136}Xe}$. В августе 2016 года была завершена комплектация KamLAND-Zen 800, содержащая 800 кг $\mathrm {^{136}Xe}$, сообщая о лимите $T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.07\cdot 10^{26}$ лет (90% CL). В 2023 году лимит был улучшен лимитом $T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.3\cdot 10^{26}$ лет (90% CL).

Предлагаемые/будущие эксперименты

• nEXO : эксперимент
  • Планируется, что nEXO, преемник EXO-200, станет экспериментом тоннового масштаба и частью следующего поколения экспериментов 0νββ. Планируется, что материал детектора будет весить около 5 т, обеспечивая энергетическое разрешение 1% на $Q$-ценить. Планируется, что эксперимент обеспечит пожизненную чувствительность около $T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.35\cdot 10^{28}$ лет после 10 лет сбора данных.
• ЛЕГЕНДА (эксперимент)
• СуперНЕТ

Безнейтринная мюонная конверсия

Мюон распадается как $\mu ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+{\overline {\nu }}_{\mu }$ и $\mu ^{-}\to e^{-}+{\overline {\nu }}_{e}+\nu _{\mu }$. Распады без испускания нейтрино, такие как $\mu ^{+}\to e^{+}+\gamma$, $\mu ^{-}\to e^{-}+\gamma$, $\mu ^{+}\to e^{+}+e^{-}+e^{+}$ и $\mu ^{-}\to e^{-}+e^{+}+e^{-}$ настолько маловероятны, что считаются запрещенными , а их наблюдение будет считаться свидетельством новой физики . По этому пути идет ряд экспериментов, таких как Mu to E Gamma , Comet и Mu2e для $\mu ^{+}\to e^{+}\gamma$ и Mu3e для $\mu ^{+}\to e^{+}e^{-}e^{+}$.

Безнейтринная тау-конверсия в виде $\tau \to 3\mu$ был найден в ходе эксперимента CMS.

См. также

• Двойной бета-распад
• Споры между Гейдельбергом и Москвой
• Безнейтринный двойной электронный захват