Podwójny rozpad beta bez neutrin - Neutrinoless double beta decay

Neutrinoless podwójny rozpad beta (0νββ) jest powszechnie proponowane i realizowane eksperymentalnie teoretyczny rozpad proces, który może okazać się majorana charakter neutrin cząstki . Do dziś nie został znaleziony.

Odkrycie bezneutrinowego podwójnego rozpadu beta może rzucić światło na masy absolutnych neutrin i ich hierarchię mas ( masa neutrin ). Byłby to pierwszy w historii sygnał o naruszeniu zasady zachowania całkowitej liczby leptonowej . Natura majorana neutrin potwierdzałaby, że antycząstka neutrina nie różni się od niej samej, tj. jest swoją własną antycząstką.

Aby poszukać podwójnego rozpadu beta bez neutrin, obecnie prowadzi się szereg eksperymentów, a także zaproponowano kilka przyszłych eksperymentów dotyczących zwiększonej czułości.

Historyczny rozwój dyskusji teoretycznej

W 1939 roku Wendell H. Furry zaproponował ideę natury Majorany neutrina, która była związana z rozpadami beta. Futrzany stwierdzono prawdopodobieństwa przejścia nawet wyższe dla neutrinem mniej dwukrotnie rozpadu beta. Był to pierwszy pomysł, który zaproponowano, by szukać naruszeń zachowania liczby leptonowej. Od tego czasu zwrócił uwagę na to, że jest użyteczny w badaniu natury neutrin (patrz cytat).

Tryb 0ν, [...] który narusza liczbę leptonów i jest od dawna uznawany za potężne narzędzie do badania właściwości neutrin.
— Oliviero Cremonesi

Włoski fizyk Ettore Majorana po raz pierwszy przedstawił koncepcję cząstki będącej własną antycząstką. Natura cząstek została następnie nazwana jego imieniem jako cząstki Majorany. Podwójny rozpad beta bez neutrin jest jedną z metod poszukiwania możliwej natury Majorany neutrin.

Ettore Majorana, pierwszy, który wprowadził ideę identyczności cząstek i antycząstek.

Znaczenie fizyczne

Konwencjonalny podwójny rozpad beta

Neutrina są konwencjonalnie produkowane w słabych rozpadach. Słabe rozpady beta zwykle wytwarzają jednego elektronu (lub pozyton ) emituje antyneutrino (lub neutrinowy) i zwiększenia jądro " liczbę protonów o jeden. Masa jądra (tj. energia wiązania ) jest wtedy mniejsza, a przez to korzystniejsza. Istnieje wiele pierwiastków, które mogą się rozpaść na jądro o mniejszej masie, ale nie mogą wyemitować jednego elektronu tylko dlatego, że powstałe jądro jest kinematycznie (czyli pod względem energii) niekorzystne (jego energia byłaby wyższa). Te jądra mogą rozpadać się tylko poprzez emisję dwóch elektronów (czyli poprzez podwójny rozpad beta ). Istnieje około tuzina potwierdzonych przypadków jąder, które mogą rozpadać się tylko poprzez podwójny rozpad beta. Odpowiednie równanie rozpadu to: ${\ Displaystyle Z}$

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

.

To słaby proces drugiego rzędu. Jednoczesny rozpad dwóch nukleonów w tym samym jądrze jest niezwykle mało prawdopodobny. Zatem obserwowane eksperymentalnie czasy życia takich procesów rozpadu mieszczą się w zakresie lat. Zaobserwowano już, że wiele izotopów wykazuje ten podwójny rozpad dwóch neutrin beta. ${\ Displaystyle 10 ^ {18} -10 ^ {21}}$

Ten konwencjonalny podwójnie rozpad beta jest dozwolone w standardowym modelu z fizyki cząstek . Ma więc podstawy zarówno teoretyczne, jak i eksperymentalne.

Przegląd

Schemat Feynmana podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta. Tutaj dwa neutrony rozpadają się na dwa protony i dwa elektrony, ale żadne neutrino nie jest w stanie końcowym. Istnienie tego mechanizmu wymagałoby, aby neutrina były cząstkami Majorany.

Jeśli natura neutrin to Majorana, to mogą być emitowane i absorbowane w tym samym procesie bez pojawiania się w odpowiednim stanie końcowym. Jako cząstki Diraca , obydwa neutrina powstałe w wyniku rozpadu bozonów W byłyby emitowane, a nie absorbowane.

Podwójny rozpad beta bez neutrin może wystąpić tylko wtedy, gdy

cząstka neutrin to Majorana i
istnieje prawoskrętna składowa słabego prądu leptonicznego lub neutrino może zmienić swoją orientację między emisją a absorpcją (między dwoma wierzchołkami W), co jest możliwe dla niezerowej masy neutrin (dla co najmniej jednego z gatunków neutrin ).

Najprostszy proces rozpadu znany jest jako wymiana neutrin świetlnych. Zawiera jedno neutrino emitowane przez jeden nukleon i absorbowane przez inny nukleon (patrz rysunek po prawej). W stanie końcowym jedyne pozostałe części to jądro (ze zmienioną liczbą protonową ) i dwa elektrony: ${\ Displaystyle Z}$

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

Oba elektrony są emitowane prawie jednocześnie.

Dwa powstałe elektrony są wówczas jedynymi emitowanymi cząstkami w stanie końcowym i muszą przenosić w przybliżeniu różnicę sum energii wiązania dwóch jąder przed i po procesie jako ich energię kinetyczną. Ciężkie jądra nie przenoszą znaczącej energii kinetycznej. Elektrony będą emitowane jedna po drugiej w wyniku zachowania pędu .

W takim przypadku szybkość zaniku można obliczyć za pomocą

{\ 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}}

,

gdzie oznacza czynnik przestrzeni fazowej , (kwadratowy) element macierzy tego procesu rozpadu jądrowego (zgodnie z diagramem Feynmana) oraz kwadrat efektywnej masy Majorany. ${\ Displaystyle G ^ {0 \ nu}}$ ${\ Displaystyle \ lewo | M ^ {0 \ nu} \ prawo | ^ {2}}$ ${\ Displaystyle \ langle m_ {\ beta \ beta} \ rangle ^ {2}}$

Po pierwsze, efektywną masę Majorany można uzyskać przez

{\ Displaystyle \ langle m_ {\ beta \ beta} \ rangle = \ suma _ {i} U_ {ei} ^ {2} m_ {i}}

,

gdzie są masy neutrin Majorany (trzy neutrina ) oraz elementy macierzy mieszania neutrin (patrz macierz PMNS ). Współczesne eksperymenty mające na celu znalezienie podwójnych rozpadów beta bez neutrin (patrz rozdział o eksperymentach ) mają na celu zarówno dowód na naturę Majorany neutrin, jak i pomiar tej efektywnej masy Majorany (można to zrobić tylko wtedy, gdy rozpad jest faktycznie generowany przez masy neutrin). $m_{i}$ $\nu_{i}$ $U_{ei}$ ${\ Displaystyle U}$ ${\ Displaystyle \ langle m_ {\ beta \ beta} \ rangle}$

Element macierzy jądrowej (NME) nie może być mierzony niezależnie; musi, ale też może być obliczone. Same obliczenia opierają się na wyrafinowanych teoriach wielu ciał jądrowych i istnieją różne metody, aby to zrobić. NME różni się również od jądra do jądra (tj. pierwiastek chemiczny do pierwiastka chemicznego). Dzisiaj obliczanie NME jest poważnym problemem, który różni autorzy traktowali w różny sposób. Powstaje pytanie, czy zakres otrzymanych wartości for należy traktować jako niepewność teoretyczną i czy należy to rozumieć jako niepewność statystyczną . Wybierane są tutaj różne podejścia. Otrzymane wartości często zmieniają się o współczynniki od 2 do około 5. Typowe wartości mieszczą się w zakresie od około 0,9 do 14, w zależności od rozpadającego się jądra/pierwiastka. ${\ Displaystyle \ lewo | M ^ {0 \ nu} \ prawo |}$ ${\ Displaystyle \ lewo | M ^ {0 \ nu} \ prawo |}$ ${\ Displaystyle \ lewo | M ^ {0 \ nu} \ prawo |}$ ${\ Displaystyle \ lewo | M ^ {0 \ nu} \ prawo |}$

Na koniec należy również obliczyć współczynnik przestrzeni fazowej . Zależy ona od całkowitej uwolnionej energii kinetycznej ( tj. „ -wartości”) i liczby atomowej . Metody wykorzystują funkcje fal Diraca , skończone rozmiary jąder i ekranowanie elektronów. Istnieją bardzo precyzyjne wyniki dla różnych jąder, od około 0,23 (dla ) i od 0,90 ( ) do około 24,14 ( ). ${\ Displaystyle G ^ {0 \ nu}}$ ${\ Displaystyle Q = M_ {\ tekst {jądro}} ^ {\ tekst {przed}}-M_ {\ tekst {jądro}} ^ {\ tekst {po}} -2m_ {\ tekst {elektron}}}$ $Q$ ${\ Displaystyle Z}$ ${\ Displaystyle G ^ {0 \ nu}}$ ${\ Displaystyle \ operatorname {^ {128} _ {52} Te \ rightarrow _ {54} ^ {128} Xe}}$ ${\ Displaystyle \ operatorname {^ {76} _ {32} Ge \ rightarrow _ {34} ^ {76} Se}}$ ${\ Displaystyle \ operatorname {^ {150} _ {60} Nd \ rightarrow _ {62} ^ {150} Sm}}$

Uważa się, że jeśli w pewnych warunkach stwierdzony zostanie podwójny bezneutrinowy rozpad beta (szybkość rozpadu zgodna z przewidywaniami opartymi na wiedzy eksperymentalnej o masach i mieszaniu neutrin), to rzeczywiście „prawdopodobnie” wskazuje to na neutrina Majorany jako główny mediator (a nie inne źródła nowej fizyki). Istnieje 35 jąder, które mogą ulegać bezneutrinowemu podwójnemu rozpadowi beta (według wyżej wymienionych warunków rozpadu).

Eksperymenty i wyniki

W eksperymentach mających na celu potwierdzenie podwójnego rozpadu beta bez neutrin bierze się pod uwagę dziewięciu różnych kandydatów na jądra: . Wszyscy mają argumenty za i przeciw ich użyciu w eksperymencie. Czynniki, które należy uwzględnić i zweryfikować, to naturalna obfitość , niedrogie wzbogacenie oraz dobrze rozumiana i kontrolowana technika eksperymentalna. Im wyższa wartość -, tym większe szanse na odkrycie. Współczynnik przestrzeni fazowej , a tym samym szybkość zaniku, rośnie wraz z . ${\ Displaystyle \ operatorname {^ {48} Ca, ^ {76} Ge, ^ {82} Se, ^ {96} Zr, ^ {100} Mo, ^ {116} CD, ^ {130} Te, ^ { 136}Xe,^{150}Nd} }$ $Q$ ${\ Displaystyle G ^ {0 \ nu}}$ ${\ Displaystyle Q ^ {5}}$

Interesująca eksperymentalnie i w ten sposób zmierzona jest suma energii kinetycznych dwóch wyemitowanych elektronów. Powinna być równa wartości - odpowiedniego jądra dla bezneutrinowej podwójnej emisji beta. $Q$

W tabeli przedstawiono podsumowanie aktualnie najlepszych limitów czasu życia 0νββ. Na tej podstawie można wywnioskować, że bezneutrinowy podwójny rozpad beta jest niezwykle rzadkim procesem – o ile w ogóle występuje.

Eksperymentalne granice (co najmniej 90% CL ) na zbiorze izotopów dla procesu rozpadu 0νββ, w którym pośredniczy mechanizm neutrin świetlnych, jak pokazano na powyższym diagramie Feynmana.
Izotop	Eksperyment	żywotność [lata] ${\ Displaystyle T_ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}}$
${\ Displaystyle \ operatorname {^ {48} Ca}}$	ELEGANCKIE-VI	${\ Displaystyle > 1,4 \ cdot 10 ^ {22}}$
${\ Displaystyle \ operatorname {^ {76} Ge}}$	Heidelberg-Moskwa	${\ Displaystyle> 1,9 \ cdot 10 ^ {25}}$
${\ Displaystyle \ operatorname {^ {76} Ge}}$	GERDA	${\ Displaystyle> 2,1 \ cdot 10 ^ {25}}$
${\ Displaystyle \ operatorname {^ {82} Se}}$	NEMO -3	${\ Displaystyle > 1,0 \ cdot 10 ^ {23}}$
${\ Displaystyle \ operatorname {^ {96} Zr}}$	NEMO-3	${\ Displaystyle> 9,2 \ cdot 10 ^ {21}}$
${\ Displaystyle \ operatorname {^ {100} Mo}}$	NEMO-3	${\ Displaystyle> 2,1 \ cdot 10 ^ {25}}$
${\ Displaystyle \ operatorname {^ {116} CD}}$	Sołotwina	${\ Displaystyle > 1,7 \ cdot 10 ^ {23}}$
${\ Displaystyle \ operatorname {^ {130} Te}}$	KUORE	${\ Displaystyle> 3.2 \ cdot 10 ^ {25}}$
${\ Displaystyle \ operatorname {^ {136} Xe}}$	EXO	${\ Displaystyle> 1,1 \ cdot 10 ^ {25}}$
${\ Displaystyle \ operatorname {^ {136} Xe}}$	KamLAND-Zen	${\ Displaystyle > 2,6 \ cdot 10 ^ {25}}$
${\ Displaystyle \ operatorname {^ {150} Nd}}$	NEMO-3	${\ Displaystyle> 2,1 \ cdot 10 ^ {25}}$

Współpraca Heidelberg-Moskwa

Tzw „Heidelberg-Moskwa współpraca” (HDM) z niemieckiego Max-Planck-Institut für Kernphysik i rosyjskiego centrum nauki Kurchatov Institute w Moskwie pokazowo twierdził, że znalazł „dowody neutrinoless podwójny rozpad beta”. Początkowo, w 2001 roku, współpraca ogłosiła dowód 2.2σ lub 3.1σ (w zależności od zastosowanej metody obliczeniowej). Stwierdzono, że tempo rozpadu wynosiło około lat. Wynik ten był tematem dyskusji wielu naukowców i autorów. Do dziś żaden inny eksperyment nie potwierdził ani nie zatwierdził wyników grupy HDM. Zamiast tego, ostatnie wyniki eksperymentu GERDA dotyczące limitu czasu życia wyraźnie odrzucają i odrzucają wartości współpracy HDM. ${\ Displaystyle 2 \ cdot 10 ^ {25}}$

Nie znaleziono jeszcze podwójnego rozpadu beta bez neutrin.

Obecnie eksperymenty z gromadzeniem danych

Eksperyment GERDA (matryca detektorów germanu) :
- Wynikiem współpracy GERDA w fazie I detektora jest limit lat (90% CL). Wykorzystuje german zarówno jako materiał źródłowy, jak i detektor. Ciekły argon jest używany do wetowania mionów i jako osłona przed promieniowaniem tła. Wartość - germanu dla rozpadu 0νββ wynosi 2039 keV, ale nie stwierdzono nadmiaru zdarzeń w tym regionie. W fazie II eksperymentu rozpoczęto zbieranie danych w 2015 r., a do detektorów wykorzystuje się około 36 kg germanu. Narażenie analizowane do lipca 2020 r. wynosi 10,8 kg rocznie. Ponownie nie znaleziono żadnego sygnału, a zatem ustalono nowy limit na lata (90% CL). Detektor jest zgłaszany jako działający zgodnie z oczekiwaniami. ${\ Displaystyle T_ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}> 2,1 \ cdot 10 ^ {25}}$ $Q$ ${\ Displaystyle T_ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}> 5,3 \ cdot 10 ^ {25}}$
Eksperyment EXO (Enriched Xenon Observatory) :
- Eksperyment Enriched Xenon Observatory-200 wykorzystuje ksenon zarówno jako źródło, jak i detektor. Eksperyment znajduje się w Nowym Meksyku (USA) i wykorzystuje komorę projekcji czasu (TPC) do trójwymiarowej przestrzennej i czasowej rozdzielczości osadzania się śladów elektronów. Eksperyment EXO-200 dał mniej czułe wyniki niż GERDA I i II z limitem czasu życia wynoszącym lata (90% CL). ${\ Displaystyle T_ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}> 1,1 \ cdot 10 ^ {25}}$
KamLAND -Zen (Kamioka Ciecz Scyntylator antyneutrino Detektor-zen) eksperyment :
- Eksperyment KamLAND-Zen rozpoczął się przy użyciu 13 ton ksenonu jako źródła (wzbogaconego o około 320 kg ), zawartego w nylonowym balonie otoczonym zewnętrznym balonem z ciekłym scyntylatorem o średnicy 13 m. Począwszy od 2011 roku, KamLAND-Zen Phase I zaczął zbierać dane, co ostatecznie doprowadziło do ustalenia limitu czasu życia dla podwójnego rozpadu beta bez neutrino lat (90% CL). Limit ten można poprawić, łącząc z danymi fazy II (zbieranie danych rozpoczęto w grudniu 2013 r.) do lat (90% CL). W przypadku Fazy II współpraca zdołała w szczególności zredukować zanik , co zakłóciło pomiary w obszarze zainteresowania dla zaniku 0νββ . W sierpniu 2018, KamLAND-Zen 800 został ukończony zawierający 800 kg . Podobno jest to obecnie największy i najczulszy eksperyment na świecie, którego celem jest poszukiwanie podwójnego rozpadu beta bez neutrin. ${\ Displaystyle \ operatorname {^ {136} Xe}}$ ${\ Displaystyle T_ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}> 1,9 \ cdot 10 ^ {25}}$ ${\ Displaystyle T_ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}> 2.6 \ cdot 10 ^ {25}}$ ${\ Displaystyle \ operatorname {^ {110m} Ag}}$ ${\ Displaystyle \ operatorname {^ {136} Xe}}$ ${\ Displaystyle \ operatorname {^ {136} Xe}}$

Proponowane/przyszłe eksperymenty

Eksperyment nEXO :
- Jako następca EXO-200, nEXO ma być eksperymentem na skalę tonową i częścią następnej generacji eksperymentów 0νββ. Materiał detektora ma ważyć ok. 5 t, przy wartości -1 będzie służyć 1% energii . Eksperyment ma zapewnić czułość życiową około lat po 10 latach zbierania danych. $Q$ ${\ Displaystyle T_ {\ beta \ beta} ^ {0 \ nu}> 9,5 \ cdot 10 ^ {27}}$

Languages

In other projects