La desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ) es un proceso de desintegración radiactiva teórico comúnmente propuesto y perseguido experimentalmente que probaría una naturaleza Majorana de la partícula de neutrino . [1] [2] Hasta el día de hoy, no se ha encontrado. [2] [3] [4]
El descubrimiento de la desintegración beta doble sin neutrinos podría arrojar luz sobre las masas absolutas de neutrinos y su jerarquía de masas ( masa de neutrinos ). Significaría la primera señal de violación de la conservación del número total de leptones . [5] Una naturaleza Majorana de los neutrinos confirmaría que la propia antipartícula del neutrino no es diferente a sí misma, es decir, es su propia antipartícula. [6]
Para buscar la desintegración beta doble sin neutrinos, actualmente hay una serie de experimentos en curso, y también se proponen varios experimentos futuros para aumentar la sensibilidad. [7]
Desarrollo histórico de la discusión teórica
En 1939, Wendell H. Furry propuso la idea de la naturaleza Majorana del neutrino, que estaba asociada con las desintegraciones beta. [8] Furry declaró que la probabilidad de transición sería incluso mayor para el neutrino menos la desintegración beta doble. [8] Fue la primera idea propuesta para buscar la violación de la conservación del número de leptones. [1] Desde entonces, ha llamado la atención sobre él por ser útil para estudiar la naturaleza de los neutrinos (ver cita).
[El] modo 0ν [...] que viola el número de leptones y ha sido reconocido desde hace mucho tiempo como una herramienta poderosa para probar las propiedades de los neutrinos.
- Oliviero Cremonesi [9]
El físico italiano Ettore Majorana introdujo por primera vez el concepto de que una partícula es su propia antipartícula. [6] La naturaleza de las partículas fue posteriormente nombrada en su honor como partículas de Majorana. La desintegración beta doble sin neutrinos es un método para buscar la posible naturaleza Majorana de los neutrinos. [5]
Relevancia física
Decaimiento doble beta convencional
Los neutrinos se producen convencionalmente en desintegraciones débiles. [5] Las desintegraciones beta débiles normalmente producen un electrón (o positrón ), emiten un antineutrino (o neutrino) y aumentan el número de protones del núcleo . por uno. La masa del núcleo (es decir, la energía de enlace ) es entonces menor y, por tanto, más favorable. Existe una serie de elementos que pueden descomponerse en un núcleo de menor masa, pero no pueden emitir un electrón solo porque el núcleo resultante es cinemáticamente (es decir, en términos de energía) no favorable (su energía sería mayor). [2] Estos núcleos solo pueden desintegrarse emitiendo dos electrones (es decir, a través de la desintegración beta doble ). Hay alrededor de una docena de casos confirmados de núcleos que solo pueden descomponerse a través de la descomposición doble beta. [2] La ecuación de desintegración correspondiente es:
- . [1]
Es un proceso débil de segundo orden. [2] Una desintegración simultánea de dos nucleones en el mismo núcleo es extremadamente improbable. Por lo tanto, la vida útil observada experimentalmente de tales procesos de desintegración está en el rango deaños. [10] Ya se ha observado que varios isótopos muestran esta desintegración beta doble de dos neutrinos. [3]
Esta desintegración doble beta convencional está permitida en el modelo estándar de física de partículas . [3] Tiene, pues, una base tanto teórica como experimental.
Descripción general
Si la naturaleza de los neutrinos es Majorana, entonces pueden ser emitidos y absorbidos en el mismo proceso sin aparecer en el estado final correspondiente. [3] Como partículas de Dirac , tanto los neutrinos producidos por la desintegración de los bosones W serían emitidos y no absorbidos después. [3]
La desintegración beta doble sin neutrinos solo puede ocurrir si
- la partícula de neutrino es Majorana, [11] y
- existe un componente diestro de la corriente leptónica débil o el neutrino puede cambiar su lateralidad entre emisión y absorción (entre los dos vértices W), lo cual es posible para una masa de neutrinos distinta de cero (para al menos una de las especies de neutrinos ). [1]
El proceso de desintegración más simple se conoce como intercambio de neutrinos ligeros. [3] Presenta un neutrino emitido por un nucleón y absorbido por otro nucleón (ver figura a la derecha). En el estado final, las únicas partes restantes son el núcleo (con su número de protón cambiado) y dos electrones:
- [1]
Los dos electrones se emiten casi simultáneamente. [10]
Los dos electrones resultantes son las únicas partículas emitidas en el estado final y deben llevar aproximadamente la diferencia de las sumas de las energías de enlace de los dos núcleos antes y después del proceso como su energía cinética. [12] Los núcleos pesados no llevan una energía cinética significativa. Los electrones se emitirán uno tras otro debido a la conservación del impulso . [12]
En ese caso, la tasa de caída se puede calcular con
- ,
dónde denota el factor de espacio de fase ,el elemento de la matriz (al cuadrado) de este proceso de desintegración nuclear (según el diagrama de Feynman), yel cuadrado de la masa efectiva de Majorana. [5]
Primero, la masa efectiva de Majorana se puede obtener mediante
- ,
dónde son las masas de neutrinos de Majorana (tres neutrinos ) y los elementos de la matriz de mezcla de neutrinos (ver matriz PMNS ). [7] Los experimentos contemporáneos para encontrar desintegraciones beta dobles sin neutrinos (ver sección sobre experimentos ) apuntan tanto a la prueba de la naturaleza Majorana de los neutrinos como a la medición de esta masa Majorana efectiva(solo se puede hacer si la desintegración es realmente generada por las masas de neutrinos). [7]
El elemento de la matriz nuclear (NME) no se puede medir de forma independiente; [ ¿por qué? ] debe, pero también puede, calcularse. [13] El cálculo en sí se basa en sofisticadas teorías nucleares de muchos cuerpos y existen diferentes métodos para hacerlo. Entonces yotambién difiere de un núcleo a otro (es decir, de un elemento químico a otro). Hoy en día, el cálculo del NME es un problema importante y ha sido tratado por diferentes autores de diferentes formas. Una pregunta es si tratar el rango de valores obtenidos paracomo la incertidumbre teórica y si esto debe entenderse entonces como una incertidumbre estadística . [7] Aquí se están eligiendo diferentes enfoques. Los valores obtenidos paraa menudo varían en factores de 2 hasta aproximadamente 5. Los valores típicos se encuentran en el rango de aproximadamente 0,9 a 14, dependiendo del núcleo / elemento en descomposición. [7]
Por último, el factor espacio-fase también debe calcularse. [7] Depende de la energía cinética total liberada (, es decir "-valor ") y el número atómico . Los métodos utilizan funciones de onda de Dirac , tamaños nucleares finitos y detección de electrones. [7] Existen resultados de alta precisión para para varios núcleos, que van desde aproximadamente 0,23 (para ) y 0,90 () hasta aproximadamente 24,14 (). [7]
Se cree que, si se encuentra una desintegración doble beta sin neutrinos bajo ciertas condiciones (tasa de desintegración compatible con las predicciones basadas en el conocimiento experimental sobre las masas de neutrinos y la mezcla), esto de hecho "probablemente" apuntaría a los neutrinos de Majorana como el mediador principal (y no a otros fuentes de nueva física). [7] Hay 35 núcleos que pueden sufrir una desintegración doble beta sin neutrinos (de acuerdo con las condiciones de desintegración antes mencionadas). [3]
Experimentos y resultados
Se están considerando nueve candidatos diferentes de núcleos en experimentos para confirmar la desintegración beta doble sin neutrinos: . [3] Todos tienen argumentos a favor y en contra de su uso en un experimento. Los factores que deben incluirse y revisarse son la abundancia natural , el enriquecimiento a un precio razonable y una técnica experimental bien entendida y controlada. [3] Cuanto mayor sea el-valor, mejores son las posibilidades de un descubrimiento, en principio. El factor de espacio de fase, y por lo tanto la tasa de desintegración, crece con . [3]
Experimentalmente de interés y por lo tanto medido es la suma de las energías cinéticas de los dos electrones emitidos. Debería ser igual al-valor del núcleo respectivo para la emisión de doble beta sin neutrinos. [3]
La tabla muestra un resumen de los mejores límites actuales sobre la vida útil de 0νββ. De esto, se puede deducir que la desintegración beta doble sin neutrinos es un proceso extremadamente raro, si es que ocurre.
Isótopo | Experimentar | toda la vida [años] |
---|---|---|
ELEGANTE-VI | ||
Heidelberg-Moscú [14] | [14] | |
GERDA | ||
NEMO -3 | ||
NEMO-3 | ||
NEMO-3 | ||
Solotvina | ||
CUORE | [15] | |
EXO | ||
KamLAND-Zen | [dieciséis] | |
NEMO-3 |
Colaboración Heidelberg-Moscú
La llamada "colaboración Heidelberg-Moscú" (HDM) del Max-Planck-Institut für Kernphysik alemán y el centro científico ruso Kurchatov Institute en Moscú afirmó haber encontrado "evidencia de desintegración beta doble sin neutrinos". [17] Inicialmente, en 2001 la colaboración anunció una evidencia de 2.2σ o 3.1σ (dependiendo del método de cálculo utilizado). [17] Se encontró que la tasa de descomposición era de alrededoraños. [3] Este resultado ha sido tema de discusión entre muchos científicos y autores. [3] Hasta el día de hoy, ningún otro experimento ha confirmado o aprobado el resultado del grupo HDM. [7] En cambio, los resultados recientes del experimento GERDA para el límite de por vida claramente desfavorecen y rechazan los valores de la colaboración HDM. [7]
Aún no se ha encontrado la desintegración beta doble sin neutrinos. [4]
Experimentos de toma de datos actualmente
- Experimento GERDA (matriz de detectores de germanio) :
- El resultado de la colaboración GERDA de la fase I del detector es un límite de años (90% CL). [16] Utiliza germanio como material fuente y detector. [16] El argón líquido se utiliza para vetar los muones y como protección contra la radiación de fondo. [16] El-valor de germanio para la desintegración de 0νββ es 2039 keV, pero no se encontró un exceso de eventos en esta región. [18] La fase II del experimento comenzó a tomar datos en 2015 y utiliza alrededor de 36 kg de germanio para los detectores. [18] La exposición analizada hasta julio de 2020 es de 10,8 kg al año. Nuevamente, no se encontró ninguna señal y, por lo tanto, se estableció un nuevo límite paraaños (90% CL). [19] Se informa que el detector funciona como se esperaba. [19]
- Experimento EXO (Observatorio de xenón enriquecido) :
- El experimento Enriched Xenon Observatory-200 utiliza Xenon como fuente y como detector. [16] El experimento se encuentra en Nuevo México (EE. UU.) Y utiliza una cámara de proyección de tiempo (TPC) para la resolución espacial y temporal tridimensional de las deposiciones de pistas de electrones. [16] El experimento EXO-200 arrojó resultados menos sensibles que GERDA I y II con un límite de por vida deaños (90% CL). [dieciséis]
- Experimento KamLAND -Zen (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector-Zen) :
- El experimento KamLAND-Zen comenzó utilizando 13 toneladas de xenón como fuente (enriquecido con unos 320 kg de ), contenido en un globo de nailon que está rodeado por un globo exterior de centelleo líquido de 13 m de diámetro. [16] A partir de 2011, KamLAND-Zen Phase I comenzó a tomar datos, lo que finalmente llevó a establecer un límite en la vida útil de la desintegración beta doble sin neutrinos deaños (90% CL). [16] Este límite podría mejorarse combinándolo con los datos de la Fase II (la toma de datos comenzó en diciembre de 2013) paraaños (90% CL). [16] Para la Fase II, la colaboración logró especialmente reducir el deterioro de, que perturbó las mediciones en la región de interés para la desintegración 0νββ de . [16] En agosto de 2018, se completó KamLAND-Zen 800 que contenía 800 kg de. [20] Se informa que ahora es el experimento más grande y sensible del mundo para buscar la desintegración beta doble sin neutrinos. [20] [21]
Experimentos propuestos / futuros
- experimento nEXO :
- Como sucesor de EXO-200, se planea que nEXO sea un experimento a escala de toneladas y parte de la próxima generación de experimentos 0νββ. [22] Se prevé que el material del detector pese unas 5 t, con una resolución de energía del 1% en el-valor. [22] El experimento está planeado para ofrecer una sensibilidad de por vida de aproximadamenteaños después de 10 años de toma de datos. [22]
Ver también
- Decaimiento beta doble
- Controversia Heidelberg-Moscú
- Captura de electrones dobles sin neutrinos
Referencias
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