Безнейтринный двойной бета-распад - Neutrinoless double beta decay

В безнейтринный двойной бета-распад (0νββ) это обычно предлагаемая и экспериментально исследуемая теоретическая радиоактивный распад процесс, который окажется Майорана характер нейтрино частица.^[1][2] По сей день его не нашли.^[2][3][4]

Открытие безнейтринного двойной бета-распад может пролить свет на абсолютные массы нейтрино и на их иерархию масс (Масса нейтрино ). Это означало бы первый в истории сигнал о нарушении общей лептонное число сохранение.^[5] Майорановский характер нейтрино подтвердил бы, что собственное нейтрино античастица ничем не отличается от себя, т.е. является собственная 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

Еще в 1939 году Венделл Х. Фурри предложил идею майорановской природы нейтрино, которая была связана с бета-распадами.^[8] Фарри заявил, что вероятность перехода для нейтрино даже выше.меньше двойной бета-распад.^[8] Это была первая идея, предложенная для поиска нарушения сохранения лептонного числа.^[1] 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^[9]

Итальянский физик Этторе Майорана впервые ввел понятие частицы, являющейся собственной античастицей.^[6] Природа частиц впоследствии была названа его именем майорановскими частицами. Двойной безнейтринный бета-распад - один из методов поиска возможной майорановской природы нейтрино.^[5]

Этторе Майорана, первым представивший идею идентичности частиц и античастиц.^[6]

Физическая значимость

Обычный двойной бета-распад

Нейтрино обычно образуются при слабых распадах.^[5] Слабые бета-распады обычно дают один электрон (или же позитрон ), испустить антинейтрино (или нейтрино) и увеличивают ядро ' число протонов ${\displaystyle Z}$ одним. Масса ядра (т.е. энергия связи ) тогда ниже и, следовательно, более благоприятно. Существует ряд элементов, которые могут распадаться на ядро ​​меньшей массы, но они не могут испускать один электрон только потому, что образовавшееся ядро ​​кинематически (то есть с точки зрения энергии) не выгодно (его энергия была бы выше).^[2] Эти ядра могут распадаться, только испуская два электронов (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 нуклоны в том же ядре крайне маловероятно. Таким образом, экспериментально наблюдаемые времена жизни таких процессов распада находятся в диапазоне ${\displaystyle 10^{18}-10^{21}}$ годы.^[10] Номер изотопы уже наблюдались, чтобы показать этот двойной бета-распад с двумя нейтрино.^[3]

Этот обычный двойной бета-распад разрешен в Стандартная модель из физика элементарных частиц.^[3] Таким образом, он имеет как теоретическую, так и экспериментальную основу.

Обзор

Диаграмма Фейнмана безнейтринного двойного бета-распада. Здесь два нейтроны распадаться на два протоны и два электрона, но в конечном состоянии нет нейтрино. Существование этого механизма требует, чтобы нейтрино были майорановскими частицами.^[11]

Если природа нейтрино майорановская, то они могут испускаться и поглощаться одним и тем же процессом, не появляясь в соответствующем конечном состоянии.^[3] В качестве Частицы Дирака, оба нейтрино, образовавшиеся при распаде W бозоны будет испускаться, а не поглощаться после.^[3]

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

• частица нейтрино - майорана,^[11] и
• существует правая составляющая слабого лептонного тока или же нейтрино может изменить свое руки между излучением и поглощением (между двумя вершинами W), что возможно при ненулевой массе нейтрино (по крайней мере, для одного из видов нейтрино).^[1]

Простейший процесс распада известен как обмен легкими нейтрино.^[3] В нем одно нейтрино, испускаемое одним нуклоном и поглощаемое другим нуклоном (см. Рисунок справа). В конечном состоянии остаются только ядра (с измененным числом протонов ${\displaystyle Z}$) и два электрона:

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

Два электрона испускаются квазиодновременно.^[10]

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.^[12] Тяжелые ядра не несут значительной кинетической энергии. Электроны будут испускаться последовательно из-за сохранение импульса.^[12]

В этом случае скорость распада можно рассчитать с помощью

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

куда ${\displaystyle G^{0\nu }}$ обозначает фазовое пространство фактор ${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|^{2}}$ (в квадрате) матричный элемент этого процесса ядерного распада (согласно диаграмме Фейнмана), и ${\displaystyle \langle m_{\beta \beta }\rangle ^{2}}$ квадрат эффективной массы Майорана.^[5]

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

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

куда ${\displaystyle m_{i}}$ - массы майорановских нейтрино (три нейтрино ${\displaystyle \nu _{i}}$) и ${\displaystyle U_{ei}}$ элементы матрицы смешения нейтрино ${\displaystyle U}$ (видеть Матрица PMNS ).^[7] Современные эксперименты по поиску безнейтринных двойных бета-распадов (см. раздел по экспериментам ) направлены как на доказательство майорановской природы нейтрино, так и на измерение этой эффективной майорановской массы. ${\displaystyle \langle m_{\beta \beta }\rangle }$ (может быть осуществлено только в том случае, если распад действительно вызван массами нейтрино).^[7]

Ядерный матричный элемент (ЯМЭ) ${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$ не может быть измерен независимо, он должен, но также может быть рассчитан.^[13] Сам расчет основан на сложных ядерных теориях многих тел, и для этого существуют разные методы. Затем я ${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$ также отличается от ядра к ядру (т.е. химический элемент к химическому элементу). Сегодня расчет NME представляет собой серьезную проблему, и разные авторы по-разному трактовали ее. Возникает вопрос, рассматривать ли диапазон полученных значений для ${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$ как теоретическая неопределенность, и следует ли понимать это как статистический неопределенность.^[7] Здесь выбираются разные подходы. Полученные значения для ${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$ часто варьируются от 2 до 5 раз. Типичные значения лежат в диапазоне от 0,9 до 14, в зависимости от распадающегося ядра / элемента.^[7]

Наконец, фактор фазового пространства ${\displaystyle G^{0\nu }}$ также должны быть рассчитаны.^[7] Это зависит от полной выделенной кинетической энергии (${\displaystyle Q=M_{\text{nucleus}}^{\text{before}}-M_{\text{nucleus}}^{\text{after}}-2m_{\text{electron}}}$, т.е. "${\displaystyle Q}$-значение ") и атомный номер ${\displaystyle Z}$. Методы используют Дирак волновые функции, конечные размеры ядер и электронное экранирование.^[7] Существуют высокоточные результаты для ${\displaystyle G^{0\nu }}$ для различных ядер, от примерно 0,23 (для ${\displaystyle \mathrm {^{128}_{52}Te\rightarrow _{54}^{128}Xe} }$) и 0,90 (${\displaystyle \mathrm {^{76}_{32}Ge\rightarrow _{34}^{76}Se} }$) примерно до 24,14 (${\displaystyle \mathrm {^{150}_{60}Nd\rightarrow _{62}^{150}Sm} }$).^[7]

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 медиатор (а не на другой источники новой физики).^[7] Существует 35 ядер, которые могут подвергнуться безнейтринному двойному бета-распаду (согласно указанным выше условиям распада).^[3]

Эксперименты и результаты

В экспериментах по подтверждению безнейтринного двойного бета-распада рассматриваются девять различных кандидатов в ядра: ${\displaystyle \mathrm {^{48}Ca,^{76}Ge,^{82}Se,^{96}Zr,^{100}Mo,^{116}Cd,^{130}Te,^{136}Xe,^{150}Nd} }$.^[3] У всех есть аргументы за и против их использования в эксперименте. Факторы, которые необходимо включить и пересмотреть: природное изобилие, обогащение по разумной цене, а также хорошо изученная и контролируемая экспериментальная техника.^[3] Чем выше ${\displaystyle Q}$-значение, тем выше в принципе шансы на открытие. Фактор фазового пространства ${\displaystyle G^{0\nu }}$, и, следовательно, скорость распада растет с увеличением ${\displaystyle Q^{5}}$.^[3]

Экспериментальный интерес представляет собой измеренную таким образом сумму кинетических энергий двух испускаемых электронов. Он должен равняться ${\displaystyle Q}$-значение соответствующего ядра для безнейтринного двойного бета-излучения.^[3]

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 пределы (не менее 90% C.L. )^[7] на наборе изотопов для процесса распада 0νββ, опосредованного механизмом легких нейтрино, как показано на диаграмме Фейнмана выше.

Изотоп	Эксперимент	продолжительность жизни ${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }}$ [годы]
${\displaystyle \mathrm {^{48}Ca} }$	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	${\displaystyle >1.7\cdot 10^{23}}$
${\displaystyle \mathrm {^{130}Te} }$	CUORICINO	${\displaystyle >2.8\cdot 10^{24}}$
${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$	ЭКЗО	${\displaystyle >1.1\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$	КамЛАНД-Дзен	${\displaystyle >2.6\cdot 10^{25}}$[15]
${\displaystyle \mathrm {^{150}Nd} }$	НЕМО-3	${\displaystyle >2.1\cdot 10^{25}}$

Сотрудничество Гейдельберг-Москва

Так называемое «Гейдельбергско-Московское сотрудничество» (HDM) немецкой Max-Planck-Institut für Kernphysik и Российский научный центр Курчатовский институт в Москве, как известно, нашли «доказательства безнейтринного двойного бета-распада».^[16] Первоначально, в 2001 году, коллаборация объявила свидетельство 2.2σ или 3.1σ (в зависимости от используемого метода расчета).^[16] Скорость распада оказалась около ${\displaystyle 2\cdot 10^{25}}$ годы.^[3] Этот результат был предметом обсуждения многих ученых и авторов.^[3] По сей день ни один другой эксперимент не подтвердил или не одобрил результат группы HDM.^[7] 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 эксперименты по сбору данных

• ГЕРДА (Германиевый детекторный массив) эксперимент:
  • Результатом первой фазы детектора, разработанным коллаборацией GERDA, является предел ${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.1\cdot 10^{25}}$ лет (90% C.L.).^[15] Оно использует Германий как исходный, так и детекторный материал.^[15] Жидкость аргон используется для мюон вето и как защита от радиационного фона.^[15] В ${\displaystyle Q}$-значение германия для распада 0νββ составляет 2039 кэВ, но избытка событий в этой области не обнаружено.^[17] Сбор данных на этапе II эксперимента начался в 2015 году, и для детекторов используется около 36 кг германия.^[17] Воздействие, проанализированное до июля 2020 года, составляет 10,8 кг в год. Опять же, сигнал не был обнаружен, поэтому был установлен новый предел ${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>5.3\cdot 10^{25}}$ лет (90% C.L.).^[18] Сообщается, что детектор работает должным образом.^[18]
• ЭКЗО (Обогащенная ксеноновая обсерватория) эксперимент:
  • В эксперименте Enriched Xenon Observatory-200 используется Ксенон как источник и детектор.^[15] Эксперимент проводится в Нью-Мексико (США) и использует проекционная камера (TPC) для трехмерного пространственного и временного разрешения отложений электронных треков.^[15] Эксперимент EXO-200 дал менее чувствительные результаты, чем GERDA I и II с пределом срока службы ${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.1\cdot 10^{25}}$ лет (90% C.L.).^[15]

• KamLAND -Zen (Камиока Жидкий сцинтиллятор Антинейтрино Детектор-Дзен) эксперимент:
  • Эксперимент KamLAND-Zen начался с использованием 13 тонн ксенона в качестве источника (обогащенного примерно 320 кг ${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$), содержащийся в нейлоновом баллоне, окруженном жидкостью. сцинтиллятор внешний баллон диаметром 13 м.^[15] Начиная с 2011 года, KamLAND-Zen Phase I начал сбор данных, что в конечном итоге привело к установлению предела времени жизни для безнейтринного двойного бета-распада ${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.9\cdot 10^{25}}$ лет (90% C.L.).^[15] Этот предел можно улучшить, объединив с данными фазы II (сбор данных начался в декабре 2013 г.), чтобы ${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.6\cdot 10^{25}}$ лет (90% C.L.).^[15] Для Фазы II сотрудничество особенно помогло снизить распад ${\displaystyle \mathrm {^{110m}Ag} }$, что нарушало измерения в интересующей области для 0νββ-распада ${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$.^[15] В августе 2018 г. КамЛАНД-Зен 800 было завершено с содержанием 800 кг ${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$.^[19] Сообщается, что в настоящее время это самый крупный и чувствительный эксперимент в мире по поиску безнейтринного двойного бета-распада.^[19][20]

Предлагаемые / будущие эксперименты

• NEXO эксперимент:
  • Планируется, что как преемник EXO-200, nEXO станет экспериментом в тонном масштабе и будет частью следующего поколения экспериментов 0νββ.^[21] Планируется, что материал детектора весит около 5 т, что обеспечит разрешение по энергии 1% на ${\displaystyle Q}$-ценить.^[21] Планируется, что эксперимент будет обеспечивать пожизненную чувствительность около ${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>9.5\cdot 10^{27}}$ лет после 10 лет сбора данных.^[21]

Смотрите также

• Двойной бета-распад
• Противоречие между Гейдельбергом и Москвой

Рекомендации

1. Grotz, K .; Клапдор, Х. В. (1990). Слабое взаимодействие в ядерной, элементарной и астрофизике. Хильгер. ISBN  978-0-85274-313-3.
2. Оберауэр, Лотар; Янни, Альдо; Серенелли, Альдо (2020). Физика солнечных нейтрино: взаимодействие физики элементарных частиц и астрономии. Wiley-VCH. С. 120–127. ISBN  978-3-527-41274-7.
3. Родейоханн, Вернер (2 мая 2012 г.). «Двойной бета-распад без нейтрино и физика элементарных частиц». Международный журнал современной физики E. 20 (9): 1833–1930. arXiv:1106.1334. Дои:10.1142 / S0218301311020186. S2CID  119102859.
4. Деппиш, Фрэнк Ф. (2019). Современное введение в физику нейтрино. Издатели Morgan & Claypool. ISBN  978-1-64327-679-3.
5. Patrignani et al. (Группа данных по частицам), C. (октябрь 2016 г.). «Обзор физики элементарных частиц». Китайская физика C. 40 (10): 647. Дои:10.1088/1674-1137/40/10/100001.
6. Майорана, Этторе (1937). «Теория симметрической дель-эллеттроне и позитроне». Il Nuovo Cimento (1924-1942). 14 (4): 171–184. Дои:10.1007 / BF02961314. S2CID  18973190.
7. Биленький, С. М .; Джунти, К. (11 февраля 2015 г.). "Двойной бета-распад без нейтрино: исследование физики за пределами Стандартной модели". Международный журнал современной физики A. 30 (4n05): 1530001. arXiv:1411.4791. Дои:10.1142 / S0217751X1530001X. S2CID  53459820.
8. Ферри, У. Х. (15 декабря 1939 г.). «О переходных вероятностях при двойной бета-дезинтеграции». Физический обзор. 56 (12): 1184–1193. Дои:10.1103 / PhysRev.56.1184.
9. Кремонези, Оливьеро (апрель 2003 г.). «Двойной безнейтринный бета-распад: настоящее и будущее». Nuclear Physics B - Proceedings Supplements. 118: 287–296. arXiv:hep-ex / 0210007. Дои:10.1016 / S0920-5632 (03) 01331-8. S2CID  7298714.
10. Artusa, D. R .; Avignone, F.T .; Azzolini, O .; Балата, М .; Бэнкс, Т. I .; Бари, G .; Beeman, J .; Беллини, Ф .; Bersani, A .; Биассони, М. (15 октября 2014 г.). «Изучение безнейтринного двойного бета-распада в инвертированной иерархии нейтрино с помощью болометрических детекторов». Европейский физический журнал C. 74 (10). Дои:10.1140 / epjc / s10052-014-3096-8.
11. Schechter, J .; Валле, Дж. У. Ф. (1 июня 1982 г.). «Безнейтринный двойной бета-распад в SU (2) × U (1) теориях». Физический обзор D. 25 (11): 2951–2954. Дои:10.1103 / PhysRevD.25.2951. HDL:10550/47205.
12. Гротц и Клапдор 1990, п. 86.
13. Биленький, С. Грифолс, Дж. А. (декабрь 2002 г.). «Возможная проверка расчетов ядерных матричных элементов (ββ) 0ν-распада». Письма по физике B. 550 (3–4): 154–159. Дои:10.1016 / S0370-2693 (02) 02978-7.
14. "Гейдельберг-Московский эксперимент с обогащенным 76Ge". Профессор, доктор Х.В. Клапдор-Клейнгротхаус. Получено 16 июля 2020.
15. Торнов, Вернер (1 декабря 2014 г.). «Поиски безнейтринного двойного бета-распада». arXiv:1412.0734 [nucl-ex ].
16. Klapdor-Kleingrothaus, H.V .; Dietz, A .; Harney, H.L .; Кривошеина И.В. (21 ноября 2011 г.). «Доказательства двойного бета-распада без нейтрино». Буквы A по современной физике. 16 (37): 2409–2420. arXiv:hep-ph / 0201231. Дои:10.1142 / S0217732301005825. S2CID  18771906.
17. Agostini, M .; Allardt, M .; Андреотти, Э .; Бакаляров, А. М .; Балата, М .; Барабанов, И .; Barnabé Heider, M .; Barros, N .; Baudis, L .; Бауэр, К. (19 сентября 2013 г.). «Результаты по безнейтринному двойному бета-распаду 76Ge из фазы I эксперимента GERDA». Письма с физическими проверками. 111 (12): 122503. arXiv:1307.4720. Дои:10.1103 / PhysRevLett.111.122503. PMID  24093254.
18. Агостини, М; Allardt, M; Бакаляров А М; Балата, М; Барабанов, я; Баудис, L; Бауэр, К; Беллотти, Э; Белогуров, С; Беляев, С Т; Бенато, Г. (сентябрь 2017 г.). «Первые результаты фазы II GERDA». Journal of Physics: Серия конференций. 888: 012030. Дои:10.1088/1742-6596/888/1/012030.
19. "КамЛАНД-ЗЕН". Кавли ИПМУ- カ ブ リ 数 物 連 携 宇宙 研究 機構. 16 мая 2014 г.. Получено 17 июля 2020.
20. «Исследование шкалы масс нейтрино с помощью сверхнизкого фона KamLAND-Zen». Phys.org. Получено 17 июля 2020.
21. К. Личчарди * от имени коллабораций EXO-200 и nEXO (2017). «Последние результаты и статус EXO-200 и эксперимента nEXO». 38-я Международная конференция по физике высоких энергий (ICHEP2016) - нейтринная физика. 282: 494. Дои:10.22323/1.282.0494.