Безнейтринный двойной бета-распад

редактировать

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.

Содержание
  • 1 Историческое развитие теоретической дискуссии
  • 2 Физическая значимость
    • 2.1 Обычный двойной бета-распад
    • 2.2 Обзор
  • 3 Эксперименты и результаты
    • 3.1 Сотрудничество Гейдельберга и Москвы
    • 3.2 Текущие эксперименты по сбору данных
    • 3.3 Предлагаемые / будущие эксперименты
  • 4 См. Также
  • 5 Ссылки
Историческое развитие теоретической дискуссии

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 Кремонези

Итальянский 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.
Физическая значимость

Обычный двойной бета-распад

Нейтрино обычно образуются при слабых распадах. Слабые бета-распады обычно производят один электрон (или позитрон ), испускают антинейтрино (или нейтрино) и увеличивают ядро ​​ 'число протонов Z {\ displaystyle Z}Z 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:

(A, Z) → (A, Z + 2) + 2 e - + 2 ν ¯ e {\ displaystyle (A, Z) \ rightarrow (A, Z + 2) + 2e ^ {-} + 2 {\ bar {\ nu}} _ {e}}{\ 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 10 18 - 10 21 {\ displaystyle 10 ^ {18} -10 ^ {21}}{\ displaystyle 10 ^ {18} -10 ^ {21}} 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.

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 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

  • нейтринная частица Майорана, и
  • существует правая составляющая слабого лептонного тока, или нейтрино может изменять свою направленность между испусканием и поглощением (между двумя W вершин), что возможно при ненулевой массе нейтрино (по крайней мере, для одной из разновидностей нейтрино).

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 Z {\ displaystyle Z}Z ) и два электрона:

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

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

Γ β β 0 ν = 1 T β β 0 ν = G 0 ν ⋅ | M 0 ν | 2 ⋅ ⟨м β β⟩ 2 {\ 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}}{\ 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_ { \ бета \ бета} \ rangle ^ {2}} ,

где G 0 ν {\ displaystyle G ^ {0 \ nu}}{\ displaystyle G ^ {0 \ nu}} обозначает фактор фазового пространства, | M 0 ν | 2 {\ displaystyle \ left | M ^ {0 \ nu} \ right | ^ {2}}{\ displaystyle \ left | M ^ {0 \ nu} \ right | ^ {2}} (в квадрате) матричный элемент этого процесса ядерного распада (согласно Фейнману диаграмму) и ⟨m β β⟩ 2 {\ displaystyle \ langle m _ {\ beta \ beta} \ rangle ^ {2}}{\ displaystyle \ langle m _ {\ beta \ beta} \ rangle ^ {2}} квадрат эффективной массы Майорана.

Во-первых, эффективная масса Майорана может быть получена с помощью

⟨m β β⟩ = ∑ i U ei 2 mi {\ displaystyle \ langle m _ {\ beta \ beta} \ rangle = \ sum _ {i} U_ { ei} ^ {2} m_ {i}}{\ displaystyle \ langle m _ {\ beta \ beta} \ rangle = \ sum _ {i} U_ {ei} ^ {2} m_ {i}} ,

где mi {\ displaystyle m_ {i}}m_i - массы нейтрино Майорана (три нейтрино ν i {\ displaystyle \ nu _ {i}}\ nu _ {i} ) и U ei {\ displaystyle U_ {ei}}{\ displaystyle U_ {ei}} элементы матрицы смешения нейтрино U {\ displaystyle U}U (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 ⟨m β β⟩ {\ displaystyle \ langle m _ {\ beta \ beta} \ rangle}{\ displaystyle \ langle m _ {\ beta \ beta} \ rangle} (может быть выполнено только в том случае, если распад действительно вызван массами нейтрино).

Ядерный матричный элемент (NME) | M 0 ν | {\ displaystyle \ left | M ^ {0 \ nu} \ right |}{\ displaystyle \ left | M ^ { 0 \ nu} \ right |} 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 | M 0 ν | {\ displaystyle \ left | M ^ {0 \ nu} \ right |}{\ displaystyle \ left | M ^ { 0 \ nu} \ right |} 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 | M 0 ν | {\ displaystyle \ left | M ^ {0 \ nu} \ right |}{\ displaystyle \ left | M ^ { 0 \ nu} \ right |} как теоретическая неопределенность и следует ли понимать ее как статистическую неопределенность. Здесь выбираются разные подходы. Полученные значения для | M 0 ν | {\ displaystyle \ left | M ^ {0 \ nu} \ right |}{\ displaystyle \ left | M ^ { 0 \ nu} \ right |} 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 G 0 ν {\ displaystyle G ^ {0 \ nu}}{\ displaystyle G ^ {0 \ nu}} . Это зависит от общей выделенной кинетической энергии (Q = M ядро ​​до - M ядро ​​после - 2 м электрон {\ displaystyle Q = M _ {\ text {nucleus}} ^ {\ text {before}} - M _ {\ текст {ядро}} ^ {\ текст {после}} - 2m _ {\ текст {электрон}}}{\ displaystyle Q = M _ {\ text {nucleus}} ^ {\ text {before}} - M _ {\ text {ядро}} ^ {\ текст {после}} - 2m _ {\ текст {электрон}}} , т.е. "Q {\ displaystyle Q}Q-значение") и атомный номер Z {\ displaystyle Z}Z . В методах используются волновые функции Дирака , конечные размеры ядер и экранирование электронов. Существуют результаты с высокой точностью для G 0 ν {\ displaystyle G ^ {0 \ nu}}{\ displaystyle G ^ {0 \ nu}} для различных ядер, начиная примерно от 0,23 (для 52 128 T e → 54 128 Икс е {\ displaystyle \ mathrm {^ {128} _ {52} Te \ rightarrow _ {54} ^ {128} Xe}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {128} _ {52} Te \ rightarrow _ {54} ^ {128} Xe}} ) и 0,90 (32 76 G e → 34 76 S e {\ displaystyle \ mathrm {^ {76} _ {32} Ge \ rightarrow _ {34} ^ {76} Se}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {76} _ {32} Ge \ rightarrow _ {34} ^ {76} Se}} ) примерно до 24,14 (60 150 N d → 62 150 S m {\ displaystyle \ mathrm {^ {150} _ {60} Nd \ rightarrow _ {62} ^ {150} Sm}}{\ displaystyle \ 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 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).

Эксперименты и результаты

Рассматриваются девять различных кандидатов в ядра ed в экспериментах по подтверждению безнейтринного двойного бета-распада: 48 C a, 76 G e, 82 S e, 96 Z r, 100 M o, 116 C d, 130 T e, 136 X e, 150 N d { \ displaystyle \ mathrm {^ {48} Ca, ^ {76} Ge, ^ {82} Se, ^ {96} Zr, ^ {100} Mo, ^ {116} Cd, ^ {130} Te, ^ {136 } Xe, ^ {150} Nd}}{\ displaystyle \ 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. Факторы, которые должны быть включены и пересмотрены: естественная численность, обогащение по разумной цене, а также хорошо изученная и контролируемая экспериментальная техника. Чем выше значение Q {\ displaystyle Q}Q, тем выше в принципе шансы на открытие. Фактор фазового пространства G 0 ν {\ displaystyle G ^ {0 \ nu}}{\ displaystyle G ^ {0 \ nu}} и, следовательно, скорость затухания увеличивается с Q 5 {\ displaystyle Q ^ {5} }{\ displaystyle Q ^ {5}} .

Экспериментально представляющая интерес и измеренная таким образом сумма кинетических энергий двух испускаемых электронов. Оно должно равняться Q {\ displaystyle Q}Q-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.

Экспериментальные ограничения (по крайней мере, 90% C.L. ) для набора изотопов для процесса распада 0νββ, опосредованного механизмом легких нейтрино, как показано на диаграмме Фейнмана выше.
ИзотопЭкспериментвремя жизни T β β 0 ν {\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}}{\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}} [ лет]
48 C a {\ displaystyle \ mathrm {^ {48} Ca}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {48} Ca}} ELEGANT-VI>1,4 ⋅ 10 22 {\ displaystyle>1,4 \ cdot 10 ^ {22}}{\displaystyle>1.4 \ cdot 10 ^ {22}}
76 G e {\ displaystyle \ mathrm {^ {76} Ge}}{ \ displaystyle \ mathrm {^ {76} Ge}} Гейдельберг-Москва>1,9 ⋅ 10 25 {\ displaystyle>1,9 \ cdot 10 ^ {25}}{\displaystyle>1.9 \ cdot 10 ^ {25}}
76 G e {\ displaystyle \ mathrm {^ {76} Ge}}{ \ displaystyle \ mathrm {^ {76} Ge}} GERDA>2,1 ⋅ 10 25 {\ displaystyle>2.1 \ cdot 10 ^ {25}}{\displaystyle>2.1 \ cdot 10 ^ {25}}
82 S e {\ d isplaystyle \ mathrm {^ {82} Se}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {82} Se}} NEMO -3>1.0 ⋅ 10 23 {\ displaystyle>1.0 \ cdot 10 ^ {23}}{\displaystyle>1.0 \ cdot 10 ^ {23} }
96 Z r {\ displaystyle \ mathrm {^ {96} Zr}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {96} Zr}} NEMO-3>9,2 ⋅ 10 21 {\ displaystyle>9,2 \ cdot 10 ^ {21}}{\displaystyle>9,2 \ cdot 10 ^ { 21}}
100 Месяцев {\ displaystyle \ mathrm {^ {100} Mo}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {100} Mo}} NEMO-3>2,1 ⋅ 10 25 {\ displaystyle>2,1 \ cdot 10 ^ {25}}{\displaystyle>2,1 \ cdot 10 ^ {25}}
116 C d {\ displaystyle \ mathrm {^ {116} Cd}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {116} Cd}} Солотвина>1,7 ⋅ 10 23 {\ displaystyle>1,7 \ cdot 10 ^ {23}}{\displaystyle>1,7 \ cdot 10 ^ {23}}
130 T e {\ displaystyle \ mathrm {^ {130} Te}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {130} Te}} CUORICINO >2,8 ⋅ 10 24 {\ displaystyle>2,8 \ cdot 10 ^ {24}}{\displaystyle>2,8 \ cdot 10 ^ {24}}
136 X e {\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}} EXO>1.1 ⋅ 10 25 {\ displaystyle>1.1 \ cdot 10 ^ {25}}{\displaystyle>1.1 \ cdot 10 ^ {25}}
136 X e {\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}} КамЛАНД-Дзен>2.6 ⋅ 10 25 {\ displaystyle>2.6 \ cdot 10 ^ {25}}{\displaystyle>2.6 \ cdot 10 ^ {25}}
150 N d {\ displaysty le \ mathrm {^ {150} Nd}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {150} Nd}} NEMO-3>2.1 ⋅ 10 25 {\ displaystyle>2.1 \ cdot 10 ^ {25}}{\displaystyle>2.1 \ cdot 10 ^ { 25}}

Гейдельберг-Москва сотрудничество

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 2 ⋅ 10 25 {\ displaystyle 2 \ cdot 10 ^ {25}}{\ displaystyle 2 \ cdot 10 ^ {25}} 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.

В настоящее время проводятся эксперименты по сбору данных.

  • Эксперимент GERDA (Германиевая матрица детекторов):
    • Результат коллаборации GERDA на фазе I детектора - предел T β β 0 ν>2,1 ⋅ 10 25 {\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}>2.1 \ cdot 10 ^ {25}}{\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.1 \ cdot 10 ^ {25}} лет (90% CL). В качестве источника и детектора используется германий материал. Жидкий аргон используется для мюонного вето и в качестве защиты от фонового излучения. Q {\ displaystyle Q}Q-значение германия для Распад 0νββ составляет 2039 кэВ, но избытка событий в этой области не обнаружено. Данные по началу II фазы эксперимента -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, сигнал не был обнаружен, поэтому был установлен новый предел T β β 0 ν>5,3 ⋅ 10 25 {\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}>5,3 \ cdot 10 ^ { 25}}{\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>5.3 \ cdot 10 ^ {25}} лет (90% CL). Детектор работает должным образом.
  • EXO (Обсерватория обогащенного ксенона) эксперимент:
    • Обсерватория обогащенного ксенона- 200 использует ксенон как источник и детектор. Эксперимент находится 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 пределом жизни T β β 0 ν>1,1 ⋅ 10 25 {\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ { 0 \ nu}>1.1 \ cdot 10 ^ {25}}{\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.1 \ cdot 10 ^ {25}} years (90% CL).
  • KamLAND -Zen (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector: жидкий сцинтиллятор антинейтрино Kamioka)
  • Эксперимент KamLAND-Zen начался с использованием 13 тонн ксенона в качестве источника (обогащенного примерно 320 кг 136 X e {\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}} ), содержащийся в нейлоновом баллоне, который окружен жидким сцинтиллятором внешним баллоном диаметром 13 м. Начиная с 2011 г., KamLAND-Zen Phase I начал сбор данных, что в конечном итоге привело к установлению предела времени жизни для безнейтринного двойного бета-распада T β β 0 ν>1,9 ⋅ 10 25 {\ displaystyle T _ {\ beta \ beta } ^ {0 \ nu}>1.9 \ cdot 10 ^ {25}}{\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.9 \ cdot 10 ^ {25}} лет (90% CL). Этот предел можно улучшить, объединив с данными этапа II (сбор данных начался в декабре 2013 г.) к T β β 0 ν>2,6 ⋅ 10 25 {\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}>2,6 \ cdot 10 ^ {25}}{\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2,6 \ cdot 10 ^ {25}} лет (90% CL). Для фазы II сотрудничеству особенно удалось уменьшить распад 110 m A g {\ displaystyle \ mathrm {^ {110m} Ag}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {110m} Ag}} , что нарушило измерения в интересующей области для 0νββ распад 136 X e {\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}} . В августе 2018 года был завершен KamLAND-Zen 800, содержащий 800 кг 136 X e {\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}}{\ displaystyle \ mathrm {^ {136} Xe}} . Сообщается, что в настоящее время это крупнейший и наиболее чувствительный эксперимент в мире по поиску безнейтринного двойного бета-распада.

Предлагаемые / будущие эксперименты

  • nEXO эксперимент:
    • как преемник EXO-200, nEXO планируется стать 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 Q {\ displaystyle Q}Q. Планируется, что эксперимент будет обеспечивать временную чувствительность около T β β 0 ν>9,5 ⋅ 10 27 {\ displaystyle T _ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}>9,5 \ cdot 10 ^ {27}}{\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>9.5 \ cdot 10 ^ {27}} лет после 10 лет сбора данных.
См. также
Ссылки
Последняя правка сделана 2021-05-31 05:15:52
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте