Безнейтринный двойной бета-распад

Ядерная физика
Ядро Нуклоны п н Ядерная материя Ядерная сила Структура ядра Ядерная реакция
Модели ядра Капля жидкости Модель ядерной оболочки Модель взаимодействующих бозонов Ab initio
Классификация нуклидов Изотопы – равные Z Изобары – равные А Isotones – equal N Isodiaphers – equal N − Z Isomers – equal all the above Mirror nuclei – Z ↔ N Stable Magic Even/odd Halo Borromean
Nuclear stability Binding energy p–n ratio Drip line Island of stability Valley of stability Stable nuclide
Radioactive decay Alpha α Beta β 2β 0v β+ K/L capture Isomeric Gamma γ Internal conversion Spontaneous fission Cluster decay Neutron emission Proton emission Decay energy Decay chain Decay product Radiogenic nuclide
Nuclear fission Spontaneous Products pair breaking Photofission
Capturing processes electron 2× neutron s r proton p rp
High-energy processes Spallation by cosmic ray Photodisintegration
Nucleosynthesis and nuclear astrophysics Nuclear fusion Processes: Stellar Big Bang Supernova Nuclides: Primordial Cosmogenic Artificial
High-energy nuclear physics Quark–gluon plasma RHIC LHC
Scientists Alvarez Becquerel Bethe A. Bohr N. Bohr Chadwick Cockcroft Ir. Curie Fr. Curie Pi. Curie Skłodowska-Curie Davisson Fermi Hahn Jensen Lawrence Mayer Meitner Oliphant Oppenheimer Proca Purcell Rabi Rutherford Soddy Strassmann Świątecki Szilárd Teller Thomson Walton Wigner
Physics portal  Category
v t e

Безнейтринный двойной бета-распад ( 0νββ ) — это широко предложенный и экспериментально исследованный теоретический процесс радиоактивного распада , который мог бы доказать майорановскую природу нейтринной частицы . [ ^{1] [2]} До сих пор он не обнаружен. ^{[2] [3] [4]}

Открытие безнейтринного двойного бета-распада могло бы пролить свет на абсолютные массы нейтрино и на их массовую иерархию ( массу нейтрино ). Это означало бы первый в истории сигнал о нарушении закона сохранения полного лептонного числа . ^[5] Майорановская природа нейтрино подтвердила бы, что нейтрино является своей собственной античастицей . ^[6]

Для поиска безнейтринного двойного бета-распада в настоящее время проводится ряд экспериментов, а также предлагается провести несколько будущих экспериментов для повышения чувствительности. ^[7]

This section relies excessively on references to primary sources. Please improve this section by adding secondary or tertiary sources. (January 2025) (Learn how and when to remove this message)

Итальянский физик Этторе Майорана впервые ввел концепцию частицы, являющейся своей собственной античастицей, в 1937 году. ^[6] Частицы такой природы впоследствии были названы в его честь частицами Майораны.

В 1939 году Уэнделл Х. Фурри предложил идею майорановской природы нейтрино, которая была связана с бета-распадами. ^[8] Фурри заявил, что вероятность перехода даже выше для нейтрино без двойного бета-распада. ^{[8] [ необходимо разъяснение ]} Это была первая идея, предложенная для поиска нарушения закона сохранения лептонного числа. ^[1] С тех пор она привлекла внимание из-за своей полезности для изучения природы нейтрино (см. цитату).

[Т]е режим 0ν [...], который нарушает лептонное число и уже давно признан мощным инструментом для проверки свойств нейтрино.
— Оливьеро Кремонези ^[9]

Нейтрино обычно производятся в слабых распадах. ^[5] Слабые бета-распады обычно производят один электрон (или позитрон ), испускают антинейтрино (или нейтрино) и увеличивают (или уменьшают) число протонов ядра на единицу. Масса ядра (т. е. энергия связи ) тогда меньше и, следовательно, более выгодна. Существует ряд элементов, которые могут распадаться на ядро ​​с меньшей массой, но они не могут испускать один электрон только потому, что полученное ядро ​​кинематически (т. е. с точки зрения энергии) невыгодно (его энергия будет выше). ^[2] Эти ядра могут распадаться только испуская два электрона (т. е. посредством двойного бета-распада ). Существует около дюжины подтвержденных случаев ядер, которые могут распадаться только посредством двойного бета-распада. ^[2] Соответствующее уравнение распада имеет вид: ${\displaystyle Z}$

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

Это слабый процесс второго порядка. ^[2] Одновременный распад двух нуклонов в одном ядре крайне маловероятен. Таким образом, экспериментально наблюдаемое время жизни таких процессов распада находится в диапазоне лет. ^[10] Ряд изотопов уже наблюдался, чтобы показать этот двойной бета-распад с двумя нейтрино. ^[3]${\displaystyle 10^{18}-10^{21}}$

Этот обычный двойной бета-распад допускается в Стандартной модели физики элементарных частиц . ^[3] 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 проявляясь в соответствующем конечном состоянии. ^[3] Как частицы Дирака , оба нейтрино, образующиеся при распаде W-бозонов , будут испускаться, а не поглощаться впоследствии. ^[3]

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

• частица нейтрино – майорановская, ^[11] и
• существует правосторонняя компонента слабого лептонного тока , или нейтрино может менять свою направленность между испусканием и поглощением (между двумя вершинами W), что возможно для ненулевой массы нейтрино (по крайней мере для одного из видов нейтрино). ^[1]

Простейший процесс распада известен как обмен легкими нейтрино. ^[3] Он представляет собой одно нейтрино, испускаемое одним нуклоном и поглощаемое другим нуклоном (см. рисунок справа). В конечном состоянии единственными оставшимися частями являются ядро ​​(с измененным числом протонов ) и два электрона:${\displaystyle Z}$

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

Два электрона испускаются квазиодновременно. ^[10]

Два полученных электрона являются единственными испускаемыми частицами в конечном состоянии и должны нести приблизительно разницу сумм энергий связи двух ядер до и после процесса в качестве своей кинетической энергии. ^[12] Тяжелые ядра не несут значительной кинетической энергии.

В этом случае скорость распада можно рассчитать с помощью

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

где обозначает фактор фазового пространства , (квадратный) матричный элемент этого ядерного процесса распада (согласно диаграмме Фейнмана) и квадрат эффективной майорановской массы. ^[5]${\displaystyle G^{0\nu }}$${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|^{2}}$${\displaystyle \langle m_{\beta \beta }\rangle ^{2}}$

Во-первых, эффективную массу Майораны можно получить следующим образом:

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

где — массы майорановских нейтрино (три нейтрино ) и элементы матрицы смешивания нейтрино (см. матрицу PMNS ). ^[7] Современные эксперименты по обнаружению безнейтринных двойных бета-распадов (см. раздел об экспериментах) направлены как на доказательство майорановской природы нейтрино, так и на измерение этой эффективной майорановской массы (можно сделать только в том случае, если распад действительно генерируется массами нейтрино). ^[7]${\displaystyle m_{i}}$${\displaystyle \nu _{i}}$${\displaystyle U_{ei}}$${\displaystyle U}$${\displaystyle \langle m_{\beta \beta }\rangle }$

Ядерный матричный элемент (ЯМЭ) не может быть измерен независимо; ^{[ почему? ]} он должен, но также может быть вычислен. ^[13] Сам расчет опирается на сложные ядерные многочастичные теории, и существуют различные методы для этого. ЯМЭ также отличается от ядра к ядру (т.е. от химического элемента к химическому элементу). Сегодня расчет ЯМЭ является значительной проблемой, и разные авторы трактовали его по-разному. Один вопрос заключается в том, следует ли трактовать диапазон полученных значений для как теоретическую неопределенность и следует ли тогда понимать это как статистическую неопределенность. ^[7] Здесь выбираются различные подходы. Полученные значения для часто различаются в 2–5 раз. Типичные значения лежат в диапазоне от 0,9 до 14, в зависимости от распадающегося ядра/элемента. ^[7]${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$

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

Считается, что если двойной бета-распад без нейтрино будет обнаружен при определенных условиях (скорость распада совместима с предсказаниями, основанными на экспериментальных знаниях о массах нейтрино и смешивании), это действительно «вероятно» укажет на майорановские нейтрино как на основной посредник (а не на другие источники новой физики). ^[7] Существует 35 ядер, которые могут подвергаться двойному бета-распаду без нейтрино (в соответствии с вышеупомянутыми условиями распада). ^[3]

Девять различных кандидатов ядер рассматриваются в экспериментах для подтверждения безнейтринного двойного бета-распада: . ^[3] Все они имеют аргументы за и против их использования в эксперименте. Факторы, которые должны быть включены и пересмотрены, - это естественное изобилие , разумно оцененное обогащение и хорошо понятая и контролируемая экспериментальная техника. ^[3] Чем выше значение -, тем выше шансы открытия, в принципе. Фактор фазового пространства , и, следовательно, скорость распада, растут с . ^[3]${\displaystyle \mathrm {^{48}Ca,^{76}Ge,^{82}Se,^{96}Zr,^{100}Mo,^{116}Cd,^{130}Te,^{136}Xe,^{150}Nd} }$${\displaystyle Q}$${\displaystyle G^{0\nu }}$${\displaystyle Q^{5}}$

Экспериментально интересна и, таким образом, измеряется сумма кинетических энергий двух испускаемых электронов. Она должна равняться -значению соответствующего ядра для безнейтринного двойного бета-излучения. ^[3]${\displaystyle Q}$

Таблица показывает сводку лучших на данный момент пределов времени жизни 0νββ. Из этого можно сделать вывод, что безнейтринный двойной бета-распад является чрезвычайно редким процессом, если он вообще происходит.

Экспериментальные ограничения (не менее 90% доверительного интервала ) ^[7] для набора изотопов для процесса распада 0νββ, опосредованного механизмом легких нейтрино, как показано на диаграмме Фейнмана выше.

Изотоп	Эксперимент	продолжительность жизни [лет]${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }}$
${\displaystyle \mathrm {^{48}Ca} }$	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	${\displaystyle >1.8\cdot 10^{26}}$[15]
${\displaystyle \mathrm {^{76}Ge} }$	МАЙОРАНА	${\displaystyle >8.3\cdot 10^{25}}$[16]
${\displaystyle \mathrm {^{82}Se} }$	НЕМО -3	${\displaystyle >1.0\cdot 10^{23}}$
${\displaystyle \mathrm {^{82}Se} }$	КУПИДОН-0	${\displaystyle >4.6\cdot 10^{24}}$[17]
${\displaystyle \mathrm {^{96}Zr} }$	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	${\displaystyle >1.7\cdot 10^{23}}$
${\displaystyle \mathrm {^{128}Te} }$	КУОРЕ	${\displaystyle >3.6\cdot 10^{24}}$[18]
${\displaystyle \mathrm {^{130}Te} }$	КУОРЕ	${\displaystyle >2.2\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$	ЭКЗО	${\displaystyle >3.5\cdot 10^{25}}$[19]
${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$	KamLAND-Zen	${\displaystyle >2.3\cdot 10^{26}}$[20]
${\displaystyle \mathrm {^{150}Nd} }$	НЕМО-3	${\displaystyle >2.1\cdot 10^{25}}$

Так называемое «сотрудничество Гейдельберг-Москва» (HDM; 1990–2003) немецкого Института ядерной физики имени Макса Планка и российского научного центра Курчатовский институт в Москве прославились заявлением о нахождении «доказательств безнейтринного двойного бета-распада» ( споры Гейдельберг-Москва ). ^{[21] [22]} Первоначально, в 2001 году, сотрудничество объявило о доказательстве 2,2σ или 3,1σ (в зависимости от используемого метода расчета). ^[21] Было обнаружено, что скорость распада составляет около лет. [ ^3] Этот результат был темой дискуссий между многими учеными и авторами. ^[3] По сей день ни один другой эксперимент не подтвердил и не одобрил результат группы HDM. ^[7] Вместо этого недавние результаты эксперимента GERDA по пределу времени жизни явно не в пользу и отвергают ценности сотрудничества HDM. ^[7]${\displaystyle 2\cdot 10^{25}}$

Безнейтринный двойной бета-распад пока не обнаружен. ^[4]

Результатом сотрудничества по детекторной решетке германия ( GERDA) на этапе I детектора стало ограничение в несколько лет (90% CL). ^[23] Он использовал германий как в качестве источника, так и в качестве материала детектора. ^[23] Жидкий аргон использовался для наложения вето на мюоны и в качестве защиты от фонового излучения. ^[23] Значение -${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.1\cdot 10^{25}}$${\displaystyle Q}$⁷⁶
Ge для распада 0νββ составляет 2039 кэВ, но избытка событий в этой области обнаружено не было. ^[24] Фаза II эксперимента началась с сбора данных в 2015 году, и для детекторов использовалось около 36 кг германия. ^[24] Экспозиция, проанализированная до июля 2020 года, составила 10,8 кг в год. Опять же, сигнал не был обнаружен, и поэтому был установлен новый предел в годы (90% CL). ^[25] Детектор прекратил работу и опубликовал свои окончательные результаты в декабре 2020 года. Двойного безнейтринного бета-распада не наблюдалось. ^[15]${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>5.3\cdot 10^{25}}$

Эксперимент Enriched Xenon Observatory-200 использует ксенон и как источник, и как детектор. ^[23] Эксперимент проводится в Нью-Мексико (США) и использует камеру проекции времени (TPC) для трехмерного пространственного и временного разрешения отложений электронных треков. ^[23] Эксперимент EXO-200 дал предел времени жизни в годах (90% CL). ^[19] При переводе в эффективную майорановскую массу это предел того же порядка, что и полученный GERDA I и II. ^[23]${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.5\cdot 10^{25}}$

• Эксперимент CUORE (Криогенная подземная обсерватория редких событий) :
  • Эксперимент CUORE состоит из массива из 988 ультрахолодных кристаллов TeO ₂ (общей массой 206 кг ), используемых в качестве болометров для обнаружения испускаемых бета-частиц и в качестве источника распада. CUORE находится под землей в Национальной лаборатории Гран-Сассо , и он начал свой первый запуск физических данных в 2017 году. ^[26] CUORE опубликовал в 2020 году результаты поиска безнейтринного двойного бета-распада в с общим воздействием 372,5 кг⋅год, не найдя никаких доказательств распада 0νββ и установив байесовский нижний предел лет с 90% доверительным интервалом ^[27] , а в апреле 2022 года был установлен новый предел для лет с тем же уровнем достоверности. ^{[28] [29]} Эксперимент постоянно собирает данные, и ожидается, что он завершит свою физическую программу к 2024 году. ^{[ требуется обновление ]}${\displaystyle \mathrm {^{130}Te} }$${\displaystyle \mathrm {^{130}Te} }$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.2\cdot 10^{25}}$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.2\cdot 10^{25}}$
• Эксперимент KamLAND-Zen (Жидкий сцинтилляторный детектор антинейтрино Kamioka-Zen) :
  • Эксперимент KamLAND-Zen начался с использования 13 тонн ксенона в качестве источника (обогащенного примерно 320 кг ), содержащегося в нейлоновом баллоне, окруженном внешним баллоном с жидким сцинтиллятором диаметром 13 м. ^[23] Начиная с 2011 года, KamLAND-Zen Phase I начал собирать данные, что в конечном итоге привело к установлению предела времени жизни для безнейтринного двойного бета-распада в годы (90% CL). ^[23] Этот предел можно было улучшить, объединив данные с данными фазы II (сбор данных начался в декабре 2013 года) до лет (90% CL). ^[23] Для фазы II сотрудничество особенно умудрилось уменьшить распад , который нарушал измерения в интересующей области для 0νββ-распада . ^[23] В августе 2016 года KamLAND-Zen 800 был завершен, содержащий 800 кг , ^[30] сообщив о пределе в годы (90% CL). ^{[31] [32] [33]} В 2023 году лимит был улучшен до лимита лет (90% CL). ^{[20] [34]}${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.9\cdot 10^{25}}$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.6\cdot 10^{25}}$${\displaystyle \mathrm {^{110m}Ag} }$${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.07\cdot 10^{26}}$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.3\cdot 10^{26}}$

• Эксперимент nEXO :
  • Как преемник EXO-200, nEXO планируется как эксперимент масштаба тонны и часть следующего поколения экспериментов 0νββ. ^[35] Планируется, что материал детектора будет весить около 5 тонн, обеспечивая энергетическое разрешение 1% при -значении. ^[35] Планируется, что эксперимент обеспечит пожизненную чувствительность около лет после 10 лет сбора данных. ^[36]${\displaystyle Q}$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.35\cdot 10^{28}}$
• ЛЕГЕНДА (эксперимент)
• СуперНЕМО
• НуСомнение ⁺⁺ :
  • Эксперимент NuDoubt⁺⁺ направлен на измерение двухнейтринных и безнейтринных положительных двойных слабых распадов (2β⁺/ECβ⁺). ^[37] Он основан на новой концепции детектора, объединяющей гибридные и непрозрачные сцинтилляторы в паре с новой техникой считывания света. ^[38] Эта технология особенно подходит для обнаружения сигнатур позитронов (β⁺). На первом этапе NuDoubt⁺⁺ будет работать под высоким давлением обогащенного газа Kr-78. Ожидается, что он обнаружит двухнейтринные положительные двойные слабые моды распада Kr-78 в пределах экспозиции 1 тонна-неделя ^[38] и способен исследовать безнейтринные положительные двойные слабые моды распада с улучшенной на несколько порядков значимостью по сравнению с текущими экспериментальными пределами. После экспозиции 1 тонна-неделя ожидается чувствительность к периоду полураспада Kr-78 в годы (90% CL). ^[38] Более поздние фазы могут включать поиски положительных двойных слабых распадов в Xe-124 и Cd-106.${\displaystyle T_{\beta +\beta +}^{0\nu }>10^{24}}$

Мюон распадается как и . Распады без испускания нейтрино, такие как , , и настолько маловероятны, что они считаются запрещенными , а их наблюдение будет считаться доказательством новой физики . Ряд экспериментов идут по этому пути, такие как Mu в E Gamma , Comet и Mu2e для и Mu3e для .${\displaystyle \mu ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+{\overline {\nu }}_{\mu }}$${\displaystyle \mu ^{-}\to e^{-}+{\overline {\nu }}_{e}+\nu _{\mu }}$${\displaystyle \mu ^{+}\to e^{+}+\gamma }$${\displaystyle \mu ^{-}\to e^{-}+\gamma }$${\displaystyle \mu ^{+}\to e^{+}+e^{-}+e^{+}}$${\displaystyle \mu ^{-}\to e^{-}+e^{+}+e^{-}}$${\displaystyle \mu ^{+}\to e^{+}\gamma }$${\displaystyle \mu ^{+}\to e^{+}e^{-}e^{+}}$

Безнейтринное преобразование тау в форме было найдено в эксперименте CMS. ^{[39] [40]}${\displaystyle \tau \to 3\mu }$

• Двойной бета-распад
• Противоречие Гейдельберга и Москвы
• Двойной безнейтринный электронный захват