Безнейтринный двойной бета-распад - Neutrinoless double beta decay
Ядерная физика |
---|
Ядро · Нуклоны ( p , n ) · Ядерная материя · Ядерная сила · Ядерная структура · Ядерная реакция |
Безнейтринный двойной бета - распад (0νββ) является широко предложен и экспериментально преследовало теоретический радиоактивный распад процесс , который бы доказать майорановскую природу нейтрино частицы . По сей день его не нашли.
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 . Майорановская природа нейтрино подтвердит , что собственные нейтрино в античастице ничем не отличается , чем он сам, т.е. есть своя античастица.
Для поиска безнейтринного двойного бета-распада в настоящее время проводится ряд экспериментов, а также предлагается несколько будущих экспериментов для повышения чувствительности.
Историческое развитие теоретической дискуссии
Еще в 1939 году Венделл Х. Ферри выдвинул идею майорановской природы нейтрино, которая была связана с бета-распадами. Фарри заявил, что вероятность перехода будет даже выше для нейтрино без двойного бета-распада. Это была первая идея, предложенная для поиска нарушения сохранения лептонного числа. С тех пор он привлек внимание к нему как к полезному 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
Итальянский физик Этторе Майорана первым ввел понятие частицы, являющейся своей собственной античастицей. Впоследствии природа частиц была названа его именем майорановскими частицами. Безнейтринный двойной бета-распад - один из методов поиска возможной майорановской природы нейтрино.
Физическая значимость
Обычный двойной бета-распад
Обычно нейтрино образуются при слабых распадах. 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). Эти ядра могут распадаться только с испусканием 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.
Это обычный двойной бета - распад разрешен в стандартной модели в физике элементарных частиц . Таким образом, он имеет как теоретическую, так и экспериментальную основу.
Обзор
Если природа нейтрино майорановская, то они могут испускаться и поглощаться одним и тем же процессом, не появляясь в соответствующем конечном состоянии. Как дираковские частицы , оба нейтрино, образованные распадом W-бозонов , будут испускаться, а не поглощаться после этого.
Безнейтринный двойной бета-распад может произойти только в том случае, если
- нейтринная частица - Майорана, а
- 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 ).
Простейший процесс распада известен как обмен легкими нейтрино. 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:
Два электрона испускаются квазиодновременно.
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. Тяжелые ядра не несут значительной кинетической энергии. Электроны будут испускаться один за другим из-за сохранения импульса .
В этом случае скорость распада может быть рассчитана с помощью
- ,
где обозначает фактор фазового пространства , (квадрат) матричный элемент этого процесса ядерного распада (согласно диаграмме Фейнмана) и квадрат эффективной массы Майорана.
Во-первых, эффективная масса Майорана может быть получена следующим образом:
- ,
где - массы майорановских нейтрино (три нейтрино ) и элементы матрицы смешения нейтрино (см. матрицу PMNS ). 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 массами нейтрино).
Ядерный матричный элемент (ЯМЭ) не может быть измерен независимо; он должен, но также может быть рассчитан. 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. 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.
Наконец, необходимо также рассчитать фактор фазового пространства . 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. Существуют высокоточные результаты для различных ядер, в диапазоне от примерно 0,23 (для ) и 0,90 ( ) до примерно 24,14 ( ).
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). Существует 35 ядер, которые могут подвергнуться безнейтринному двойному бета-распаду (согласно вышеупомянутым условиям распада).
Эксперименты и результаты
Девять различных кандидатов ядер рассматриваются в экспериментах для подтверждения безнейтринного двойного бета-распада: . 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. Чем выше -значение, тем выше принципиальные шансы на открытие. Фактор фазового пространства и, следовательно, скорость затухания растут с .
Экспериментальный интерес представляет собой измеренную таким образом сумму кинетических энергий двух испускаемых электронов. Оно должно равняться -значению соответствующего ядра для безнейтринного двойного бета-излучения.
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.
Изотоп | Эксперимент | срок службы [годы] |
---|---|---|
ЭЛЕГАНТ-VI | ||
Гейдельберг-Москва | ||
ГЕРДА | ||
НЕМО- 3 | ||
НЕМО-3 | ||
НЕМО-3 | ||
Солотвина | ||
CUORE | ||
ЭКЗО | ||
КамЛАНД-Дзен | ||
НЕМО-3 |
Сотрудничество Гейдельберг-Москва
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». Первоначально, в 2001 году, коллаборация объявила свидетельство 2.2σ или 3.1σ (в зависимости от используемого метода расчета). Скорость распада составила около нескольких лет. Этот результат был предметом дискуссий 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 в пользу и отвергают ценности сотрудничества HDM.
Безнейтринный двойной бета-распад пока не обнаружен.
В настоящее время эксперименты по сбору данных
-
Эксперимент GERDA (Germanium Detector Array) :
- Результатом первой фазы детектора, разработанным коллаборацией GERDA, является ограничение в годы (90% CL). Он использует германий как в качестве источника, так и в качестве материала детектора. Жидкий аргон используется для вето мюонов и в качестве защиты от фонового излучения. -Value германия для 0νββ распада 2039 кэВ, но не избыток событий в этом регионе не было найдено. Сбор данных на этапе II эксперимента начался 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, никакого сигнала обнаружено не было, и поэтому был установлен новый лимит на годы (90% CL). Сообщается, что детектор работает должным образом.
-
Эксперимент EXO (Обсерватория обогащенного ксенона) :
- В эксперименте Enriched Xenon Observatory-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 отложений электронных треков. Эксперимент EXO-200 дал менее чувствительные результаты, чем GERDA I и II, с ограничением срока службы в несколько лет (90% CL).
-
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. Начиная с 2011 г., 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). Этот предел можно улучшить, объединив данные фазы II (сбор данных начался в декабре 2013 г.) до лет (90% CL). Для фазы II коллаборации особенно удалось уменьшить распад , который нарушил измерения в интересующей области для 0νββ распада . В августе 2018 года был завершен KamLAND-Zen 800, содержащий 800 кг . Сообщается, что в настоящее время это самый крупный и чувствительный эксперимент в мире по поиску безнейтринного двойного бета-распада.
Предлагаемые / будущие эксперименты
-
Эксперимент nEXO :
- Планируется, что как преемник EXO-200, nEXO станет 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 -значении. Планируется, что после 10 лет сбора данных экспериментальная чувствительность будет составлять около лет.
Смотрите также
- Двойной бета-распад
- Противоречие между Гейдельбергом и Москвой
- Двойной безнейтринный захват электронов