Безнейтринный двойной бета-распад (0νββ) является часто предлагаемым и экспериментально исследуемым теоретическим радиоактивный распад, который подтвердит майорановскую природу нейтрино частицы. По сей день это не было обнаружено.
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 собственная античастица нейтрино ничем не отличается от него самого, т.е. это его собственная античастица.
Для поиска безнейтринного двойного бета-распада в настоящее время существует ряд экспериментов в настоящее время, а также предлагается несколько будущих экспериментов по повышению чувствительности.
Еще в 1939 году Венделл Х. Ферри предложил идею майорановской природы нейтрино, которая связана с бета-распадами. Фарри заявил, что вероятность перехода для безнейтринного двойного бета-распада еще выше. Это была первая идея поиска нарушения сохранения лептонного числа. С тех пор он привлек внимание к нему как к полезному для изучения природы нейтрино (см. Цитату).
[T] he 0ν мода [...], которая нарушает лептонное число и с давних пор признана мощным инструментом для проверки свойств нейтрино. - Оливьеро КремонезиИтальянский физик Этторе Майорана впервые ввел понятие частицы как своей собственной античастицы. Природа частиц впоследствии была названа его именем майорановскими частицами. Безнейтринный двойной бета-распад - один из методов поиска возможной майорановской природы нейтрино.
Этторе Майорана, первый, кто ввел идею идентичности частиц и античастиц.Нейтрино обычно образуются при слабых распадах. Слабые бета-распады обычно производят один электрон (или позитрон ), испускают антинейтрино (или нейтрино) и увеличивают ядро 'число протонов на единицу. Тогда масса ядра (т.е. энергия связи ) ниже и, следовательно, более благоприятна. Существует ряд элементов, которые могут распадаться на ядро меньшей массы, но они не могут испустить один электрон только потому, что образующееся ядро кинематически (то есть с точки зрения энергии) неблагоприятно (его энергия была бы выше). Эти ядра могут распадаться только путем испускания 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:
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.
Этот традиционный двойной бета-распад разрешен в Стандартной модели из физика элементарных частиц. Таким образом, он имеет как теоретическую, так и экспериментальную основу.
Если природа нейтрино майорановская, то они могут испускаться и поглощаться в одном и том же процессе, не появляясь в соответствующем конечном состоянии. Как и дираковские частицы, оба нейтрино, образованные в результате распада W-бозонов, будут испускаться, а не поглощаться после.
Безнейтринный двойной бета-распад может происходить только если
Простейший процесс распада известен как обмен легкими нейтрино. В нем одно нейтрино, испускаемое одним нуклоном и поглощаемое другим нуклоном (см. Рисунок справа). В конечном состоянии единственными оставшимися частями являются ядро (с измененным номером протона ) и два электрона:
Два электрона испускаются почти одновременно.
Таким образом, два возникающих 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 взаимно одно за другим из-за сохранения импульса.
. В этом случае скорость распада может быть рассчитана с помощью
где обозначает фактор фазового пространства, (в квадрате) матричный элемент этого процесса ядерного распада (согласно Фейнману диаграмму) и квадрат эффективной массы Майорана.
Во-первых, эффективная масса Майорана может быть получена с помощью
где - массы нейтрино Майорана (три нейтрино ) и элементы матрицы смешения нейтрино (см. матрица PMNS ). Современные эксперименты по поиску безнейтринных двойных бета-распадов (см. раздел экспериментов) 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 вызван массами нейтрино).
Ядерный матричный элемент (NME) не может быть измерен независимо, он должен, но также может быть вычислен. Сам расчет основан на сложных ядерных теориях многих тел, и для этого существуют разные методы. NME также отличается от ядра к ядру (т.е. химический элемент химический элемент). Сегодня расчет NME представляет собой серьезную проблему, и разные авторы по-разному трактовали ее. Возникает вопрос, рассматривать ли диапазон полученных значений для как теоретическая неопределенность и следует ли понимать ее как статистическую неопределенность. Здесь выбираются разные подходы. Полученные значения для часто варьируется от 2 до 5 раз. Типичные значения лежат в диапазоне от 0,9 до 14, в зависимости от распадающееся ядро / элемент.
Наконец, необходимо также вычислить фактор фазового пространства . Это зависит от общей выделенной кинетической энергии (, т.е. "-значение") и атомный номер . В методах используются волновые функции Дирака , конечные размеры ядер и экранирование электронов. Существуют результаты с высокой точностью для для различных ядер, начиная примерно от 0,23 (для ) и 0,90 () примерно до 24,14 ().
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 нейтрино Майораны как на главный посредник (а не на другие источники новой физики). 35 ядер могут подвергаться безнейтринным двойным бета-распад (в соответствии с вышеупомянутыми условиями распада).
Рассматриваются девять различных кандидатов в ядра ed в экспериментах по подтверждению безнейтринного двойного бета-распада: . У всех есть аргументы за и против их использования в эксперименте. Факторы, которые должны быть включены и пересмотрены: естественная численность, обогащение по разумной цене, а также хорошо изученная и контролируемая экспериментальная техника. Чем выше значение , тем выше в принципе шансы на открытие. Фактор фазового пространства и, следовательно, скорость затухания увеличивается с .
Экспериментально представляющая интерес и измеренная таким образом сумма кинетических энергий двух испускаемых электронов. Оно должно равняться -значению соответствующего ядра для безнейтринного двойного бета-излучения.
Таблица показывает сводку лучших на данный момент ограничений на время жизни из 0νββ. Из этого можно сделать вывод, что безнейтринный двойной бета-распад - чрезвычайно редкий процесс, если он вообще происходит.
Изотоп | Эксперимент | время жизни [ лет] |
---|---|---|
ELEGANT-VI | ||
Гейдельберг-Москва | ||
GERDA | ||
NEMO -3 | ||
NEMO-3 | ||
NEMO-3 | ||
Солотвина | ||
CUORICINO | ||
EXO | ||
КамЛАНД-Дзен | ||
NEMO-3 |
Так называемое «Гейдельбергско-московское сотрудничество» (HDM) немецкого Max-Planck-Institut für Kernphysik и Российского научного центра Курчатовский институт в Москва, как известно, заявила, что нашла «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 лет. Этот результат был предметом обсуждения 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 одобряют и отвергают ценности сотрудничества HDM.
Безнейтринный двойной бета-распад еще не обнаружен.