Neutrinolový dvojitý rozpad beta - Neutrinoless double beta decay - Wikipedia

Nukleární fyzika
Jádro  · Nukleony  (p, n ) · Jaderná hmota  · Jaderná síla  · Jaderná struktura  · Jaderná reakce
Modely jádra Kapka kapaliny  · Model jaderného pláště  · Interagující bosonový model  · Ab initio
Nuklidy „klasifikace Izotopy - rovnat se Z Isobars - rovnat se A Izotony - rovnat se N Isodiaphers - rovnat se N − Z      Izomery - stejné jako výše uvedené Zrcadlová jádra  – Z ↔ N Stabilní  · Kouzlo  · I lichý  · Svatozář  (Borromean )
Jaderná stabilita Vazebná energie  · poměr p – n  · Odkapávací potrubí  · Ostrov stability  · Údolí stability
Radioaktivní rozpad Alfa α  · Beta β  (2β, β+ ) · Zachycení K / L  · Izomerní  (Gama γ  · Interní převod ) · Spontánní štěpení  · Rozpad klastru  · Emise neutronů  · Protonová emise Energie rozpadu  · Řetěz rozpadu  · Produkt rozpadu  · Radiogenní nuklid
Jaderné štěpení Spontánní  · produkty  (rozbití páru ) · Fotoštěpení
Zachycování procesů elektron (2× ) · neutron  (s  · r ) · proton  (p  · rp )
Vysokoenergetické procesy Spallation (kosmickým paprskem ) · Photodisintegration
Nukleosyntéza a jaderná astrofyzika Jaderná fůze Procesy: Hvězdný  · Velký třesk  · Supernova Nuklidy: Prvotní  · Kosmogenní  · Umělý
Vysokoenergetická jaderná fyzika Quark – gluonová plazma  · RHIC  · LHC
Vědci Alvarez  · Becquerel  · Být  · 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  · Pokladník  · Thomson  · Walton  · Vůdce

The neutrinový dvojitý rozpad beta (0νββ) je běžně navrhovaná a experimentálně prováděná teoretická radioaktivní rozpad proces, který by se ukázal jako Majorana povaha neutrino částice.^[1][2] Dodnes nebyl nalezen.^[2][3][4]

Objev neutrinolu dvojitý rozpad beta mohl osvětlit absolutní neutrinové hmoty a jejich masovou hierarchii (Neutrinová hmota ). Znamenalo by to vůbec první signál o narušení součtu leptonové číslo zachování.^[5] Majoránská povaha neutrin by potvrdila, že neutrina je vlastní antičástice se neliší od sebe, tj. od sebe je jeho vlastní antičástice.^[6]

K hledání dvojitého rozkladu beta neutrinů v současné době probíhá řada experimentů, přičemž je rovněž navrženo několik budoucích experimentů se zvýšenou citlivostí.^[7]

Historický vývoj teoretické diskuse

V roce 1939, Wendell H. Furry navrhl myšlenku Majoranské povahy neutrina, která byla spojena s rozpadem beta.^[8] Furry uvedl, že pravděpodobnost přechodu bude pro neutrino ještě vyššíméně dvojitý rozpad beta.^[8] Byla to první myšlenka navržená k hledání porušení ochrany leptonového čísla.^[1] Od té doby na to upozornilo, protože je užitečné studovat povahu neutrin (viz citát).

[T] on 0ν mode [...], který porušuje leptonové číslo a je již dlouho uznáván jako výkonný nástroj pro testování neutrinových vlastností. - Oliviero Cremonesi^[9]

Italský fyzik Ettore Majorana poprvé představil koncept částice jako své vlastní antičástice.^[6] Povaha částic byla po něm následně pojmenována jako částice Majorana. Dvojitý rozpad beta bez neutrinů je jednou z metod k hledání možné majoranské povahy neutrin.^[5]

Ettore Majorana, první, kdo představil identitu částic a antičástic.^[6]

Fyzická relevance

Konvenční dvojitý rozpad beta

Neutrina se běžně vyrábějí ve slabých rozpadech.^[5] Slabý rozpad beta obvykle produkuje jeden elektron (nebo pozitron ), vydávají antineutrino (nebo neutrino) a zvýšit jádro ' protonové číslo ${ displaystyle Z}$ jedním. Hmotnost jádra (tj. vazebná energie ) je pak nižší a tedy příznivější. Existuje celá řada prvků, které se mohou rozpadnout na jádro s nižší hmotností, ale nemohou emitovat jeden elektron pouze proto, že výsledné jádro je kinematicky (tj. z hlediska energie) nepříznivé (jeho energie by byla vyšší).^[2] Tato jádra se mohou rozpadat pouze emitováním dva elektrony (tj. přes dvojitý rozpad beta). Existuje asi tucet potvrzených případů jader, která se mohou rozpadnout pouze dvojitým rozpadem beta.^[2] Odpovídající rovnice rozpadu je:

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

Je to slabý proces druhého řádu.^[2] Současný rozpad dvou nukleony ve stejném jádře je extrémně nepravděpodobné. Experimentálně pozorované životnosti takových procesů rozpadu se tedy pohybují v rozmezí ${ displaystyle 10 ^ {18} -10 ^ {21}}$ let.^[10] Počet izotopy byly již pozorovány, aby prokázaly tento dvojitý neutrinový dvojitý rozpad beta.^[3]

Tento konvenční dvojitý rozpad beta je povolen v Standardní model z částicová fyzika.^[3] Má tedy teoretický i experimentální základ.

Přehled

Feynmanův diagram neutrinového dvojitého rozpadu beta. Tady dva neutrony rozpadnout se na dva protony a dva elektrony, ale žádné neutrino není v konečném stavu. Existence tohoto mechanismu by vyžadovala, aby neutriny byly částice Majorany.^[11]

Pokud je povaha neutrinos Majorana, pak mohou být emitovány a absorbovány ve stejném procesu, aniž by se objevily v odpovídajícím konečném stavu.^[3] Tak jako Dirac částice, obě neutrina produkovaná rozpadem W. bosony budou emitovány a nebudou absorbovány poté.^[3]

K neutrinolovému dvojitému rozpadu beta může dojít pouze tehdy, když

• neutrinová částice je Majorana,^[11] a
• existuje pravostranná složka slabého leptonického proudu nebo neutrino může změnit své předání mezi emisí a absorpcí (mezi dvěma vrcholy W), což je možné pro nenulovou hmotnost neutrina (alespoň pro jeden z druhů neutrin).^[1]

Nejjednodušší proces rozpadu je známý jako světelná neutrinová výměna.^[3] Obsahuje jedno neutrino emitované jedním nukleonem a absorbované jiným nukleonem (viz obrázek vpravo). V konečném stavu jsou jedinými zbývajícími částmi jádro (se změněným protonovým číslem ${ displaystyle Z}$) a dva elektrony:

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

Tyto dva elektrony jsou emitovány kvazi-současně.^[10]

Dva výsledné elektrony jsou potom jedinými emitovanými částicemi v konečném stavu a musí nést přibližně rozdíl součtů vazebných energií dvou jader před a po procesu jako svou kinetickou energii.^[12] Těžká jádra nenesou významnou kinetickou energii. Elektrony budou emitovány zády k sobě kvůli zachování hybnosti.^[12]

V takovém případě rychlost rozpadu lze vypočítat pomocí

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

kde ${ displaystyle G ^ {0 nu}}$ označuje fázový prostor faktor, ${ displaystyle left | M ^ {0 nu} right | ^ {2}}$ (na druhou) maticový prvek tohoto procesu jaderného rozpadu (podle Feynmanova diagramu) a ${ displaystyle langle m _ { beta beta} rangle ^ {2}}$ čtverec účinné hmoty Majorana.^[5]

Nejprve lze efektivní hmotu Majorany získat pomocí

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

kde ${ displaystyle m_ {i}}$ jsou hmoty neutrin Majorana (tři neutrina ${ displaystyle nu _ {i}}$) a ${ displaystyle U_ {ei}}$ prvky matice míchání neutrin ${ displaystyle U}$ (vidět PMNS matice ).^[7] Současné experimenty k nalezení neutrinových dvojitých beta rozpadů (viz část o experimentech ) se zaměřují jak na důkaz majoranské povahy neutrin, tak na měření této účinné hmoty Majorana ${ displaystyle langle m _ { beta beta} rangle}$ (lze provést pouze v případě, že rozpad je skutečně generován hmotami neutrin).^[7]

Prvek jaderné matice (NME) ${ displaystyle left | M ^ {0 nu} right |}$ nelze měřit samostatně, musí, ale také lze, vypočítat.^[13] Samotný výpočet se opírá o sofistikované jaderné teorie mnoha těl a existují různé metody, jak toho dosáhnout. Pak já ${ displaystyle left | M ^ {0 nu} right |}$ se také liší od jádra k jádru (tj. chemický prvek chemickému prvku). Dnes je výpočet NME významným problémem a různí autoři s ním zacházeli různými způsoby. Jednou otázkou je, zda zacházet s rozsahem získaných hodnot pro ${ displaystyle left | M ^ {0 nu} right |}$ jako teoretická nejistota a zda je to tedy třeba chápat jako a statistický nejistota.^[7] Zde se volí různé přístupy. Získané hodnoty pro ${ displaystyle left | M ^ {0 nu} right |}$ se často liší podle faktorů 2 až přibližně 5. Typické hodnoty leží v rozmezí od přibližně 0,9 do 14, v závislosti na rozpadajícím se jádře / prvku.^[7]

A konečně, faktor fázového prostoru ${ displaystyle G ^ {0 nu}}$ musí být také vypočítán.^[7] Závisí to na celkové uvolněné kinetické energii (${ displaystyle Q = M _ { text {jádro}} ^ { text {před}} - M _ { text {jádro}} ^ { text {after}} - 2 m _ { text {elektron}}}$, tj. "${ displaystyle Q}$-value ") a atomové číslo ${ displaystyle Z}$. Metody využívají Dirac vlnové funkce, konečné velikosti jader a elektronový screening.^[7] Existují vysoce přesné výsledky pro ${ displaystyle G ^ {0 nu}}$ pro různá jádra, v rozmezí od přibližně 0,23 (pro ${ displaystyle mathrm {^ {128} _ {52} Te rightarrow _ {54} ^ {128} Xe}}$) a 0,90 (${ displaystyle mathrm {^ {76} _ {32} Ge rightarrow _ {34} ^ {76} Se}}$) asi 24,14 (${ displaystyle mathrm {^ {150} _ {60} Nd rightarrow _ {62} ^ {150} Sm}}$).^[7]

Předpokládá se, že pokud se za určitých podmínek zjistí dvojitý rozpad beta bez neutrin (rozpadová rychlost kompatibilní s předpovědi založenými na experimentálních znalostech o hmotách neutrin a jejich míchání), skutečně by to „pravděpodobně“ ukazovalo na Majorana neutrinos jako hlavního prostředníka (a ne jiného zdroje nové fyziky).^[7] Existuje 35 jader, která mohou podstoupit dvojitý rozpad beta neutrinů (podle výše uvedených podmínek rozpadu).^[3]

Experimenty a výsledky

V experimentech se uvažuje o devíti různých kandidátech na jádra k potvrzení dvojitého beta-rozpadu bez neutrin: ${ displaystyle mathrm {^ {48} Ca, ^ {76} Ge, ^ {82} Se, ^ {96} Zr, ^ {100} Mo, ^ {116} Cd, ^ {130} Te, ^ { 136} Xe, ^ {150} Nd}}$.^[3] Všichni mají argumenty pro a proti jejich použití v experimentu. Faktory, které je třeba zahrnout a revidovat, jsou přirozená hojnost, obohacení za rozumnou cenu a dobře pochopená a kontrolovaná experimentální technika.^[3] Čím vyšší je ${ displaystyle Q}$- hodnota, tím lepší jsou šance na objev, v zásadě. Faktor fázového prostoru ${ displaystyle G ^ {0 nu}}$, a tím i rychlost rozpadu, roste s ${ displaystyle Q ^ {5}}$.^[3]

Experimentálně zajímavý a takto měřený je součet kinetických energií dvou emitovaných elektronů. Mělo by se to rovnat ${ displaystyle Q}$-hodnota příslušného jádra pro dvojitou emisi beta bez neutrin.^[3]

Tabulka ukazuje souhrn aktuálně nejlepších limitů životnosti 0νββ. Z toho lze odvodit, že dvojitý rozpad beta neutrinů je extrémně vzácný proces - pokud k němu vůbec dojde.

Experimentální limity (minimálně 90% C.L. )^[7] na kolekci izotopů pro proces rozpadu 0νββ zprostředkovaný mechanismem světelného neutrina, jak je znázorněno na Feynmanově diagramu výše.

Izotop	Experiment	život ${ displaystyle T _ { beta beta} ^ {0 nu}}$ [roky]
${ displaystyle mathrm {^ {48} Ca}}$	ELEGANT-VI	${ displaystyle> 1,4 cdot 10 ^ {22}}$
${ displaystyle mathrm {^ {76} Ge}}$	Heidelberg-Moskva[14]	${ displaystyle> 1,9 cdot 10 ^ {25}}$[14]
${ displaystyle mathrm {^ {76} Ge}}$	GERDA	${ displaystyle> 2,1 cdot 10 ^ {25}}$
${ displaystyle mathrm {^ {82} Zobrazit}}$	NEMO -3	${ displaystyle> 1,0 cdot 10 ^ {23}}$
${ displaystyle mathrm {^ {96} Zr}}$	NEMO-3	${ displaystyle> 9,2 cdot 10 ^ {21}}$
${ displaystyle mathrm {^ {100} po}}$	NEMO-3	${ displaystyle> 2,1 cdot 10 ^ {25}}$
${ displaystyle mathrm {^ {116} Cd}}$	Solotvina	${ displaystyle> 1,7 cdot 10 ^ {23}}$
${ displaystyle mathrm {^ {130} Te}}$	KUORICINO	${ displaystyle> 2,8 cdot 10 ^ {24}}$
${ displaystyle mathrm {^ {136} Xe}}$	EXO	${ displaystyle> 1,1 cdot 10 ^ {25}}$
${ displaystyle mathrm {^ {136} Xe}}$	KamLAND-Zen	${ displaystyle> 2,6 cdot 10 ^ {25}}$[15]
${ displaystyle mathrm {^ {150} Nd}}$	NEMO-3	${ displaystyle> 2,1 cdot 10 ^ {25}}$

Spolupráce Heidelberg-Moskva

Německá takzvaná „spolupráce Heidelberg-Moskva“ (HDM) Max-Planck-Institut für Kernphysik a ruské vědecké centrum Kurchatov Institute v Moskvě slavně tvrdili, že našli „důkazy o dvojitém rozpadu beta bez neutrin“.^[16] Zpočátku v roce 2001 spolupráce oznámila důkaz 2,2σ nebo 3,1σ (v závislosti na použité metodě výpočtu).^[16] Bylo zjištěno, že rychlost rozpadu je kolem ${ displaystyle 2 cdot 10 ^ {25}}$ let.^[3] Tento výsledek byl předmětem diskusí mezi mnoha vědci a autory.^[3] Dodnes žádný jiný experiment nikdy nepotvrdil ani neschválil výsledek skupiny HDM.^[7] Místo toho nedávné výsledky experimentu GERDA pro limit životnosti jasně znevýhodňují a odmítají hodnoty spolupráce HDM.^[7]

Neutrinolový dvojitý rozpad beta nebyl dosud nalezen.^[4]

Aktuálně experimenty s odebíráním dat

• GERDA (Germanium Detector Array) experiment:
  • Výsledek I. fáze detektoru spolupráce GERDA je limit ${ displaystyle T _ { beta beta} ^ {0 nu}> 2,1 cdot 10 ^ {25}}$ let (90% C.L.).^[15] Využívá to Germanium jako zdrojový i detektorový materiál.^[15] Kapalný argon se používá pro mion vetování a jako ochrana před zářením pozadí.^[15] The ${ displaystyle Q}$-hodnota germania pro rozpad 0νββ je 2039 keV, ale nebyl nalezen přebytek událostí v této oblasti.^[17] Fáze II experimentu zahájila sběr dat v roce 2015 a pro detektory používá přibližně 36 kg germania.^[17] Expozice analyzovaná do července 2020 je 10,8 kg za rok. Opět nebyl nalezen žádný signál, a proto byl nastaven nový limit ${ displaystyle T _ { beta beta} ^ {0 nu}> 5,3 cdot 10 ^ {25}}$ let (90% C.L.).^[18] Detektor je hlášen jako funkční podle očekávání.^[18]
• EXO Experiment (Enriched Xenon Observatory):
  • Experiment Enriched Xenon Observatory-200 používá Xenon jako zdroj i detektor.^[15] Experiment se nachází v Novém Mexiku (USA) a používá a komora pro projekci času (TPC) pro trojrozměrné prostorové a časové rozlišení depozic elektronové stopy.^[15] Experiment EXO-200 přinesl méně citlivé výsledky než GERDA I a II s celoživotním limitem ${ displaystyle T _ { beta beta} ^ {0 nu}> 1,1 cdot 10 ^ {25}}$ let (90% C.L.).^[15]

• Kamland -Zen (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector-Zen) experiment:
  • Experiment KamLAND-Zen byl zahájen s použitím 13 tun xenonu jako zdroje (obohaceného přibližně o 320 kg) ${ displaystyle mathrm {^ {136} Xe}}$), obsažený v nylonovém balónu, který je obklopen tekutinou scintilátor vnější balón o průměru 13 m.^[15] Od roku 2011 začala KamLAND-Zen Phase I odebírat data, což nakonec vedlo k omezení životnosti pro dvojitý neutrinolový rozpad beta ${ displaystyle T _ { beta beta} ^ {0 nu}> 1,9 cdot 10 ^ {25}}$ let (90% C.L.).^[15] Tento limit by bylo možné zlepšit kombinací s daty fáze II (sběr dat zahájen v prosinci 2013) na ${ displaystyle T _ { beta beta} ^ {0 nu}> 2,6 cdot 10 ^ {25}}$ let (90% C.L.).^[15] U Fáze II se spolupráci podařilo zejména snížit útlum ${ displaystyle mathrm {^ {110m} průměr}}$, která narušila měření v oblasti zájmu pro rozpad 0νββ z ${ displaystyle mathrm {^ {136} Xe}}$.^[15] V srpnu 2018 KamLAND-Zen 800 byla dokončena obsahující 800 kg ${ displaystyle mathrm {^ {136} Xe}}$.^[19] Uvádí se, že je nyní největším a nejcitlivějším experimentem na světě, který hledá neutrinový dvojitý rozpad beta.^[19][20]

Navrhované / budoucí experimenty

• nEXO experiment:
  • Jako nástupce EXO-200 se plánuje, že nEXO bude experimentem v tunovém měřítku a bude součástí další generace experimentů 0νββ.^[21] Hmota detektoru je plánována na váhu asi 5 t, což poskytuje 1% energetické rozlišení na ${ displaystyle Q}$-hodnota.^[21] Experiment je plánován tak, aby poskytoval celoživotní citlivost asi ${ displaystyle T _ { beta beta} ^ {0 nu}> 9,5 cdot 10 ^ {27}}$ let po 10 letech sběru dat.^[21]

Viz také

• Dvojitý rozpad beta
• Heidelberg-Moskva kontroverze

Reference