Nötrinosuz çift beta bozunması - Neutrinoless double beta decay

Nükleer Fizik
Çekirdek  · Nükleonlar  ( p , n )  · Nükleer madde  · Nükleer kuvvet  · Nükleer yapı  · Nükleer reaksiyon
Çekirdeğin modelleri Sıvı damlası  · Nükleer kabuk modeli  · Etkileşen bozon modeli  · Başlangıç
Nüklitlerin sınıflandırılması İzotoplar – eşit Z İzobarlar – eşit A İzotonlar – eşit N İzodiyaferler – eşit N  −  Z       İzomerler – yukarıdakilerin hepsine eşit Ayna çekirdekleri  – Z ↔ N Kararlı  · Büyü  · Çift/tek  · Halo  ( Borromean )
nükleer istikrar Bağlama enerjisi  · p-n oranı  · Damla hattı  · stabilite Island  · stabilite Vadisi  · kararlı nüklid
Radyoaktif bozunma Alfa α  · Beta β  ( 2β ( 0v ), β + )  · K/L yakalama  · İzomerik  ( Gamma γ  · Dahili dönüşüm )  · Kendiliğinden fisyon  · Küme bozunumu  · Nötron emisyonu  · Proton emisyonu Çürüme enerjisi  · Çürüme zinciri  · Çürüme ürünü  · Radyojenik nüklid
nükleer fisyon Spontane  · Ürünler  ( çift ​​kırma )  · Fotofizyon
Yakalama süreçleri elektron ( 2× )  · nötron  ( s  · r )  · proton  ( p  · rp )
Yüksek enerjili süreçler Parçalanma ( kozmik ışınla )  · Fotoparçalanma
Nükleosentez ve nükleer astrofizik Nükleer füzyon Süreçleri: Stellar  · Büyük Patlama  · Süpernova nüklitler: İlkel  · kozmojenik  · Yapay
Yüksek enerjili nükleer fizik Kuark–gluon plazma  · RHIC  · LHC
Bilim insanları 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
fizik portalı  Kategori
v T e

Neutrinoless çift beta bozunması (0νββ) yaygın olarak önerilen ve deneysel olarak takip teorik olan radyoaktif bozunma bir kanıtlayacak işlem Majorana doğasını nötrinonun parçacık . Bu güne kadar, bulunamadı.

Nötrinosuz çift ​​beta bozunmasının keşfi , mutlak nötrino kütlelerine ve onların kütle hiyerarşisine ( Nötrino kütlesi ) ışık tutabilir . Bu, toplam lepton sayısının korunumu ihlalinin ilk sinyali anlamına gelir . Nötrino A Majorana doğa Neutrino kendi teyit ediyorum antiparçacık kendisi farksız o yani ise kendi antiparçacık.

Nötrinosuz çift beta bozunmasını araştırmak için, şu anda devam etmekte olan bir dizi deney vardır ve ayrıca artan hassasiyet için birkaç gelecek deney önerilmiştir.

Teorik tartışmanın tarihsel gelişimi

1939'da Wendell H. Furry , beta bozunmaları ile ilişkili olan nötrinoların Majorana doğası fikrini önerdi. Furry, nötrino daha az çift ​​beta bozunması için geçiş olasılığının daha da yüksek olduğunu belirtti . Lepton sayısının korunumu ihlalini araştırmak için önerilen ilk fikir buydu. O zamandan beri, nötrinoların doğasını incelemek için yararlı olduğu için ona dikkat çekmiştir (alıntıya bakınız).

[T]he 0ν modu [...], lepton sayısını ihlal ediyor ve uzun zamandan beri nötrino özelliklerini test etmek için güçlü bir araç olarak kabul ediliyor.
— Oliviero Cremonesi

İtalyan fizikçi Ettore Majorana , bir parçacığın kendi antiparçacığı olduğu kavramını ilk kez ortaya attı. Parçacıkların doğası daha sonra onun adını Majorana parçacıkları olarak aldı. Nötrinosuz çift beta bozunması, nötrinoların olası Majorana doğasını araştırmak için bir yöntemdir.

Ettore Majorana, parçacıklar ve antiparçacıkların özdeş olduğu fikrini ilk ortaya atan kişidir.

Fiziksel uygunluk

Geleneksel çift beta bozunumu

Nötrinolar geleneksel olarak zayıf bozunmalarda üretilir. Zayıf beta bozunumları normalde bir üreten elektron (ya da pozitron ) yayarlar bir antineutrino (veya nötrinosu) ve artış çekirdeği ' proton sayısı birer. Çekirdeğin kütlesi (yani bağlanma enerjisi ) daha düşük ve dolayısıyla daha elverişlidir. Daha düşük kütleli bir çekirdeğe bozunabilen bir dizi element vardır, ancak bir elektron yayamazlar çünkü sadece ortaya çıkan çekirdek kinematik olarak (yani enerji açısından) elverişli değildir (enerjisi daha yüksek olurdu). Bu çekirdekler yalnızca iki elektron yayarak bozunabilir (yani, çift ​​beta bozunması yoluyla ). Yalnızca çift beta bozunması yoluyla bozunabilen yaklaşık bir düzine doğrulanmış çekirdek vakası vardır. Karşılık gelen bozunma denklemi: ${\görüntüleme stili Z}$

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

İkinci dereceden zayıf bir süreçtir. Aynı çekirdekte iki nükleonun aynı anda bozunması pek olası değildir. Bu nedenle, bu tür bozunma süreçlerinin deneysel olarak gözlemlenen ömürleri yıl aralığındadır . Bu iki-nötrino çift beta bozunmasını gösteren bir dizi izotop zaten gözlemlenmiştir. ${\ Displaystyle 10^{18}-10^{21}}$

Bu, geleneksel çift beta bozunumu izin verilir standart model bir parçacık fiziği . Dolayısıyla hem teorik hem de deneysel bir temeli vardır.

genel bakış

Nötrinosuz çift ​​beta bozunmasının Feynman diyagramı . Burada iki nötron , iki protona ve iki elektrona bozunur , ancak son durumda hiçbir nötrino yoktur. Bu mekanizmanın varlığı, nötrinoların Majorana parçacıkları olmasını gerektirecektir.

Nötrinoların doğası Majorana ise, o zaman ilgili son durumda görünmeden aynı süreçte yayılabilir ve emilebilirler. Olarak Dirac parçacıkları , bozunumu ile üretilen her iki nötrinolardır W bozonları yayılan olacağını ve sonra emilmez.

Nötrinosuz çift beta bozunması ancak şu durumlarda meydana gelebilir:

• nötrino parçacığı Majorana'dır ve
• Orada zayıf leptonik akımının sağ elini kullanan bir bileşeni mevcut veya nötrinonun da değiştirebilir ellilik (sıfır olmayan bir nötrinonun kütlesi mümkündür (iki W noktalar arasında) yayma ve emme arasında nötrinonun türlerinin en az birine ilişkin ).

En basit bozunma süreci, hafif nötrino değişimi olarak bilinir. Bir nükleon tarafından yayılan ve başka bir nükleon tarafından emilen bir nötrino içerir (sağdaki şekle bakın). Son durumda, geriye kalan tek kısım çekirdek (değişen proton sayısıyla birlikte ) ve iki elektrondur: ${\görüntüleme stili Z}$

${\görüntüleme stili (A,Z)\sağ ok (A,Z+2)+2e^{-}}$

İki elektron yarı eşzamanlı olarak yayınlanır.

Ortaya çıkan iki elektron, o zaman, son durumda yayılan tek parçacıktır ve işlemden önce ve sonra iki çekirdeğin bağlanma enerjilerinin toplamlarının farkını yaklaşık olarak kinetik enerjileri olarak taşımalıdır. Ağır çekirdekler önemli kinetik enerji taşımazlar. Momentum korunumu nedeniyle elektronlar arka arkaya yayılacaktır .

Bu durumda, bozunma oranı ile hesaplanabilir.

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

burada belirtmektedir faz alan faktörü, (kare) matris elemanı (Feynmann şemasına göre), bu nükleer bozunma süreci ve etkili Majorana kütlesinin kare. ${\görüntüleme stili G^{0\nu }}$${\displaystyle \sol|M^{0\nu }\sağ|^{2}}$${\displaystyle \langle m_{\beta \beta }\rangle ^{2}}$

İlk olarak, etkili Majorana kütlesi şu şekilde elde edilebilir:

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

burada Majorana nötrinonun kütleler (üç nötrinolar ) ve nötrinonun karıştırma matrisinin elemanları (bkz PMNS matris ). Nötrinosuz çift beta bozunmalarını bulmaya yönelik çağdaş deneyler ( deneylerle ilgili bölüme bakın ) hem nötrinoların Majorana doğasının kanıtını hem de bu etkili Majorana kütlesinin ölçümünü amaçlar (yalnızca bozunma aslında nötrino kütleleri tarafından üretiliyorsa yapılabilir). ${\displaystyle m_{i}}$${\displaystyle \nu _{i}}$${\ Displaystyle U_{ei}}$${\görüntüleme stili U}$${\displaystyle \langle m_{\beta \beta }\rangle }$

Nükleer matris elemanı (NME) bağımsız olarak ölçülemez; hesaplanmalıdır, ancak aynı zamanda hesaplanabilir. Hesaplamanın kendisi karmaşık nükleer çok cisim teorilerine dayanır ve bunu yapmak için farklı yöntemler vardır. NME çekirdekten çekirdeğe de farklılık gösterir (yani kimyasal elementten kimyasal elemente). Günümüzde NME'nin hesaplanması önemli bir problemdir ve farklı yazarlar tarafından farklı şekillerde ele alınmıştır. Bir soru, elde edilen değerler aralığının teorik belirsizlik olarak ele alınıp alınmayacağı ve bunun daha sonra istatistiksel bir belirsizlik olarak anlaşılıp anlaşılmayacağıdır . Burada farklı yaklaşımlar seçiliyor. için elde edilen değerler genellikle 2'den yaklaşık 5'e kadar olan faktörlerle değişir. Tipik değerler, bozunan çekirdeğe/elemana bağlı olarak yaklaşık 0,9 ila 14 aralığındadır. ${\displaystyle \sol|M^{0\nu }\sağ|}$${\displaystyle \sol|M^{0\nu }\sağ|}$${\displaystyle \sol|M^{0\nu }\sağ|}$${\displaystyle \sol|M^{0\nu }\sağ|}$

Son olarak, faz-uzay faktörü de hesaplanmalıdır. Serbest bırakılan toplam kinetik enerjiye ( , yani " -değer") ve atom numarasına bağlıdır . Yöntemler Dirac dalga fonksiyonlarını , sonlu nükleer boyutları ve elektron taramasını kullanır. Çeşitli çekirdekler için yaklaşık 0.23 ( için ) ve 0.90 ( ) ila yaklaşık 24.14 ( ) arasında değişen yüksek hassasiyetli sonuçlar mevcuttur . ${\görüntüleme stili G^{0\nu }}$${\displaystyle Q=M_{\text{çekirdek}}^{\text{önce}}-M_{\text{çekirdek}}^{\text{sonra}}-2m_{\text{elektron}}}$${\ ekran stili Q}$${\görüntüleme stili Z}$ ${\görüntüleme stili G^{0\nu }}$${\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} }$

Nötrinosuz çift beta bozunması belirli koşullar altında (nötrino kütleleri ve karıştırma hakkında deneysel bilgilere dayanan tahminlerle uyumlu bozunma hızı) bulunursa, bunun gerçekten de ana aracı olarak Majorana nötrinolarını (diğerleri değil) "muhtemelen" işaret edeceğine inanılmaktadır. yeni fizik kaynakları). Nötrinosuz çift beta bozunmasına uğrayabilen 35 çekirdek vardır (yukarıda belirtilen bozunma koşullarına göre).

Deneyler ve sonuçlar

Nötrinosuz çift beta bozunmasını doğrulamak için deneylerde dokuz farklı çekirdek adayı değerlendiriliyor: . Hepsinin bir deneyde kullanımları için ve aleyhine argümanları var. Dahil edilecek ve revize edilecek faktörler, doğal bolluk , makul fiyatlı zenginleştirme ve iyi anlaşılmış ve kontrollü bir deneysel tekniktir. -Değeri ne kadar yüksek olursa, prensipte bir keşif şansı o kadar iyi olur. Faz-uzay faktörü ve dolayısıyla bozunma hızı ile büyür . ${\displaystyle \mathrm {^{48}Ca,^{76}Ge,^{82}Se,^{96}Zr,^{100}Mo,^{116}Cd,^{130}Te,^{ 136}Xe,^{150}Nd} }$${\ ekran stili Q}$${\görüntüleme stili G^{0\nu }}$${\görüntüleme stili Q^{5}}$

Deneysel olarak ilgilenilen ve bu şekilde ölçülen, yayılan iki elektronun kinetik enerjilerinin toplamıdır. Nötrinosuz çift beta emisyonu için ilgili çekirdeğin değerine eşit olmalıdır . ${\ ekran stili Q}$

Tablo, 0νββ'nin ömrü üzerinde şu anda en iyi sınırların bir özetini göstermektedir. Bundan, nötrinosuz çift beta bozunmasının son derece nadir bir süreç olduğu sonucuna varılabilir - eğer gerçekleşirse.

Yukarıdaki Feynman diyagramında gösterildiği gibi, hafif nötrino mekanizmasının aracılık ettiği 0νββ bozunma süreci için bir izotop koleksiyonu üzerindeki deneysel sınırlar (en az %90 CL ).

İzotop	Deney	ömür [yıl] ${\displaystyle T_{\beta\beta }^{0\nu }}$
${\displaystyle \mathrm {^{48}Ca} }$	ZARİF-VI	${\displaystyle >1.4\cdot 10^{22}}$
${\displaystyle \mathrm {^{76}Ge} }$	Heidelberg-Moskova	${\displaystyle >1.9\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{76}Ge} }$	GERDA	${\displaystyle >2.1\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{82}Se} }$	NEMO -3	${\displaystyle >1.0\cdot 10^{23}}$
${\displaystyle \mathrm {^{96}Zr} }$	NEMO-3	${\görüntüleme stili >9.2\cdot 10^{21}}$
${\ Displaystyle \ mathrm {^{100}Ay} }$	NEMO-3	${\displaystyle >2.1\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{116}Cd} }$	Solotvina	${\displaystyle >1.7\cdot 10^{23}}$
${\displaystyle \mathrm {^{130}Te} }$	CUORE	${\displaystyle >3.2\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$	EKZO	${\displaystyle >1.1\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$	KamLAND-Zen	${\displaystyle >2.6\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{150}Nd} }$	NEMO-3	${\displaystyle >2.1\cdot 10^{25}}$

Heidelberg-Moskova işbirliği

Alman Max-Planck-Institut für Kernphysik ve Moskova'daki Rus bilim merkezi Kurchatov Enstitüsü'nün sözde "Heidelberg-Moskova işbirliği" (HDM) "nötrinosuz çift beta bozunumu için kanıt" bulduğunu iddia etti. İlk olarak, 2001'de işbirliği, bir 2.2σ veya 3.1σ (kullanılan hesaplama yöntemine bağlı olarak) kanıtını duyurdu. Bozulma hızının yıllar civarında olduğu bulundu . Bu sonuç birçok bilim insanı ve yazar arasında tartışma konusu olmuştur. Bugüne kadar, başka hiçbir deney HDM grubunun sonucunu onaylamadı veya onaylamadı. Bunun yerine, kullanım ömrü sınırı için GERDA deneyinden elde edilen son sonuçlar, HDM işbirliğinin değerlerini açıkça tenkit etmekte ve reddetmektedir. ${\ Displaystyle 2\cdot 10^{25}}$

Nötrinosuz çift beta bozunması henüz bulunamadı.

Şu anda veri alma deneyleri

• GERDA (Germanyum Dedektör Dizisi) deneyi :
  • GERDA işbirliğinin dedektörün I. aşamasının sonucu bir yıl sınırıdır (%90 CL). Hem kaynak hem de dedektör malzemesi olarak Germanyum kullanır . Sıvı argon , müon veto etmek ve arka plan radyasyonundan korunmak için kullanılır . 0νββ çürüme için Germanyum-değeri 2.039 keV, ancak bu bölgedeki olaylarla ilgili hiçbir fazlalık tespit edildi. Deneyin II. Aşaması, 2015 yılında veri toplamaya başladı ve dedektörler için yaklaşık 36 kg Germanyum kullanıyor. Temmuz 2020'ye kadar analiz edilen maruziyet 10.8 kg yıl'dır. Yine sinyal bulunamadı ve bu nedenle yıllara (%90 CL) yeni bir sınır getirildi . Dedektörün beklendiği gibi çalıştığı bildiriliyor.${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.1\cdot 10^{25}}$${\ ekran stili Q}$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>5.3\cdot 10^{25}}$
• EXO (Zenginleştirilmiş Xenon Gözlemevi) deneyi :
  • Zenginleştirilmiş Xenon Gözlemevi-200 deneyi, Xenon'u hem kaynak hem de dedektör olarak kullanır . Deney New Mexico'da (ABD) bulunur ve elektron izi birikimlerinin üç boyutlu uzaysal ve zamansal çözünürlüğü için bir zaman projeksiyon odası (TPC) kullanır . EXO-200 deneyi, ömür boyu yıl sınırı (%90 CL) ile GERDA I ve II'den daha az hassas sonuçlar verdi .${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.1\cdot 10^{25}}$
• KamLAND -Zen (Kamioka Sıvı Sintilatör Antineutrino Dedektörü-Zen) deneyi :
  • KamLAND-Zen deneyi , 13 m çapında bir sıvı sintilatör dış balonu ile çevrili bir naylon balonda bulunan 13 ton Xenon'u kaynak olarak kullanmaya başladı (yaklaşık 320 kg ile zenginleştirilmiş ) . 2011'den başlayarak, KamLAND-Zen Aşama I veri almaya başladı ve sonunda nötrinosuz çift beta bozunumu için yaşam süresine bir sınır getirilmesine yol açtı (%90 CL). Bu sınır, Faz II verileriyle (veri alımı Aralık 2013'te başlamıştır) yıllara (%90 CL) birleştirilerek iyileştirilebilir . Faz II için, işbirliği özellikle 0νββ bozunumu için ilgilenilen bölgedeki ölçümleri bozan . Ağustos 2018'de KamLAND-Zen 800 , 800 kg . Şu anda, nötrinosuz çift beta bozunmasını araştırmak için dünyanın en büyük ve en hassas deneyi olduğu bildiriliyor.${\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} }$

Önerilen/gelecekteki deneyler

• nEXO deneyi:
  • EXO-200'ün halefi olarak, nEXO'nun ton ölçekli bir deney olması ve yeni nesil 0νββ deneylerinin bir parçası olması planlanıyor. Dedektör malzemesinin yaklaşık 5 t ağırlığında olması ve -değerinde %1 enerji çözünürlüğüne hizmet etmesi planlanmıştır . Deneyin, 10 yıllık veri alımından sonra yaklaşık yıllık bir ömür boyu hassasiyet sağlaması planlanıyor .${\ ekran stili Q}$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>9.5\cdot 10^{27}}$

Ayrıca bakınız

• Çift beta bozunması
• Heidelberg-Moskova tartışması
• Nötrinosuz çift elektron yakalama

Referanslar