Поиск безнейтринного двойного бета-распада

Безнейтринный двойной бета-распад (0νββ) представляет собой редкий процесс, при котором ядро с массовым числом A и зарядом Z преобразуется в ядро с тем же A, но зарядом Z + 2, испуская два электрона, но без антинейтрино:

(A, Z) → (A, Z + 2) + 2e−.

Этот процесс нарушает сохранение лептонного числа на два единицы и, если будет обнаружен, будет являться прямым свидетельством того, что нейтрино является частицей Майораны, то есть совпадает со своим античастицей. Теоретическая вероятность 0νββ определяется как:

[T1/20ν]−1 = G0ν(Q, Z) |M0ν|2 ⟨mββ⟩2,

где:

  • T1/20ν — период полураспада безнейтринного процесса;
  • G0ν(Q, Z) — фазовое пространство, зависящее от энергии распада Q и зарядового числа Z;
  • M0ν — ядерный матричный элемент;
  • ⟨mββ⟩ — эффективная масса электронного нейтрино.

Ключевой момент: точное вычисление M0ν является одной из основных задач теоретической ядерной физики и сильно влияет на интерпретацию экспериментальных данных.

Выбор изотопов для экспериментов

Наиболее перспективные изотопы для поиска 0νββ обладают высокой энергией распада Qββ, что минимизирует фон от природной радиоактивности. Основные кандидаты:

  • 76Ge — используется в высокочувствительных полупроводниковых детекторах;
  • 136Xe — применим в газовых и жидких детекторах на основе ксенона;
  • 130Te — часто используется в кристаллах теллура;
  • 100Mo, 82Se — подходят для сцинтилляционных и калориметрических детекторов.

Ключевой критерий выбора: высокая природная изотопическая распространённость, большая Qββ, возможность создания крупной детекторной массы с низким фоном.

Методы детектирования

Детектирование 0νββ основано на измерении суммарной энергии двух электронов, которая в случае безнейтринного распада равна Qββ. Основные технологии:

  1. Германиевые детекторы высокого разрешения (HPGe)

    • Обеспечивают энергетическое разрешение порядка 0.2% на энергии ~2 MeV;
    • Позволяют точно измерять пик 0νββ на фоне 2νββ (двойного бета-распада с нейтрино);
    • Ограничение — сложность масштабирования на тонны активного материала.

  2. Жидкий и газовый ксенон

    • Используется TPC (Time Projection Chamber) для реконструкции треков;
    • Возможность визуализации событий, что позволяет отличать сигнал от фоновых событий;
    • Энергетическое разрешение хуже, чем у HPGe, но компенсируется большой массой.

  3. Кристаллические детекторы (TeO₂, ZnSe)

    • Калориметрические методы: детектор сам является источником распада;
    • Высокая эффективность регистрации, но требуется тщательная очистка от радиоактивных загрязнений.

Ключевой аспект: подавление фоновых событий и высокая энергия разрешения критически важны для обнаружения редкого процесса 0νββ.

Фоновые ограничения и методы их подавления

Основные источники фонов:

  • Природная радиоактивность (U, Th, K) — γ-кванты и β-распады;
  • Двойной бета-распад с нейтрино (2νββ) — непрерывный спектр, перекрывающий сигнал;
  • Космические лучи — мюоны и вторичные частицы вызывают ложные события.

Методы подавления:

  • Размещение детекторов в глубинных подземных лабораториях (>1 км под землёй) для защиты от мюонов;
  • Использование активных и пассивных щитов (Pb, Cu, Veto-системы);
  • Применение химически чистых материалов и технологии кристаллизации для минимизации внутренней радиоактивности;
  • Анализ топологии событий для выделения треков двух электронов и удаления одиночных фонов.

Ключевой момент: эффективность подавления фона напрямую влияет на чувствительность эксперимента к периодам полураспада 0νββ ~10²⁶–10²⁷ лет.

Чувствительность и экспериментальные результаты

Чувствительность экспериментов определяется формулой:

$$ T_{1/2}^{0\nu} \propto \epsilon \, a \, \sqrt{\frac{M \, t}{B \, \Delta E}}, $$

где:

  • ϵ — эффективность детектора;
  • a — изотопическая обогащённость;
  • M — масса активного материала;
  • t — время измерений;
  • B — фоновая плотность;
  • ΔE — энергетическое разрешение.

Современные эксперименты и их достижения:

  • GERDA/LEGEND (Ge-76) — чувствительность на уровне T1/2 > 1026 лет;
  • EXO/nEXO (Xe-136) — планируется достижение чувствительности T1/2 ∼ 1028 лет;
  • CUORE (Te-130) — крупная масса кристаллов с низким фоном, чувствительность порядка T1/2 ∼ 1026 лет.

Ключевой вывод: текущее поколение экспериментов приближается к пределам, где возможен прямой доступ к иерархии масс нейтрино и проверка модели Майораны.

Оглавление