Безнейтринный двойной бета-распад

Безнейтринный двойной бета-распад (0νββ) представляет собой гипотетический процесс ядерного распада, в ходе которого ядро испускает два электрона, но не испускает антинейтрино. В стандартной модели физики элементарных частиц обычный двойной бета-распад сопровождается выделением двух антинейтрино, что обеспечивает сохранение лептонного числа. Отсутствие нейтрино при 0νββ указывает на нарушение сохранения лептонного числа на два единицы и служит прямым признаком того, что нейтрино может быть майорановской частицей, т.е. идентичной своему античастице.

Ключевые физические условия

Для существования 0νββ необходимы следующие условия:

  1. Масса нейтрино – процесс невозможен для строго безмассовых нейтрино, поскольку передача виртуального нейтрино между нуклонами требует ненулевой массы для нарушения спиновой и орбитальной симметрии.
  2. Майорановская природа нейтрино – только если нейтрино идентично антинейтрино, возможно превращение антинейтрино, испускаемого одним нуклоном, в нейтрино, поглощаемое другим нуклоном.
  3. Ядерная структура – ядра, способные к двойному бета-распаду, должны иметь подходящие энергетические уровни для перехода (Z, A) → (Z + 2, A) без эмиссии нейтрино.

Матричные элементы и вероятность процесса

Вероятность 0νββ определяется выражением:

$$ [T_{1/2}^{0\nu}]^{-1} = G^{0\nu} |M^{0\nu}|^2 \left(\frac{⟨m_{\nu}⟩}{m_e}\right)^2, $$

где:

  • T1/20ν — период полураспада,
  • G0ν — фаза-объемный фактор, зависящий от кинематики распада и энергии Q,
  • M0ν — ядерный матричный элемент, включающий нуклонные корреляции и переходы,
  • ⟨mν⟩ — эффективная масса нейтрино, комбинирующая массы и элементы матрицы смешивания PMNS,
  • me — масса электрона для нормировки.

Ядерные матричные элементы M0ν чрезвычайно сложны для расчета и требуют применения методов:

  • QRPA (квазичастичная случайная фаза)
  • IBM-2 (интер interacting boson model)
  • Shell model (оболочечная модель)

Эти подходы учитывают парное взаимодействие нуклонов, корреляции спина и изоспина, а также средние эффекты сильного взаимодействия.

Эффективная масса нейтрино

Эффективная масса нейтрино определяется через элементы PMNS следующим образом:

⟨mν⟩ = |∑iUei2mi|,

где Uei — элементы матрицы смешивания лептонов, а mi — массы массовых состояний нейтрино.

  • Наличие комплексных фаз CP может вызвать частичное взаимное уничтожение вклада различных массовых состояний, что приводит к уменьшению эффективной массы даже при значительных абсолютных массах.
  • Эффективная масса напрямую связывает наблюдаемую вероятность 0νββ с массовой структурой нейтрино, предоставляя уникальный инструмент для тестирования моделей иерархии масс.

Основные кандидаты для экспериментов

Выбор ядер с подходящей энергией распада Q и высокой естественной изотопной концентрацией критичен для наблюдения 0νββ. Среди наиболее изученных изотопов:

Изотоп Q, МэВ Естественная распространённость
76Ge 2.039 7.8%
136Xe 2.458 8.9%
130Te 2.527 34.1%
100Mo 3.034 9.8%

Высокая энергия Q обеспечивает снижение фона от естественной радиоактивности, а высокая естественная распространенность облегчает получение достаточного количества материала.

Методы экспериментального поиска

Наблюдение 0νββ требует чувствительности к редким событиям с периодами полураспада T1/2 ∼ 1025 − 1027 лет. Основные подходы:

  1. Германий с высокой разрешающей способностью – HPGe детекторы, например, эксперименты GERDA и LEGEND.
  2. Жидкий или газообразный ксенон – детекторы EXO-200, nEXO используют сцинтилляцию и ионизацию для реконструкции событий.
  3. Кристаллы теллура и молибдена – тепловые болометры CUORE и AMoRE обеспечивают хорошую энергоразрешающую способность.
  4. Комбинированные методы – детекторы с активной массой и сегментацией для подавления фона от радиации и космических лучей.

Ключевой показатель эксперимента – пик в энергетическом спектре на уровне Q без широкой формы, характерной для стандартного 2νββ.

Влияние фоновых процессов

Для успешного обнаружения 0νββ критически важно минимизировать фон:

  • Космические лучи → глубокие подземные лаборатории (например, Gran Sasso, SNOLAB).
  • Радиоактивные примеси → тщательный выбор материалов и радиочистые технологии.
  • Стандартизированные методы анализа спектра → разделение событий 2νββ от возможных сигналов 0νββ.

Теоретические последствия

  1. Лептонное число не сохраняется: 0νββ предоставляет прямое доказательство нарушения L.
  2. Нейтрино майорановское: подтверждение природы нейтрино как своей античастицы.
  3. Информация о массах нейтрино: измерение периода полураспада позволяет ограничить или определить эффективную массу ⟨mν⟩.
  4. Связь с механизмами барионогенеза через лептогенез: процесс с нарушением лептонного числа может объяснять асимметрию материи во Вселенной.
Оглавление