Phân rã beta kép phi neutrino

Phân rã beta kép phi neutrino (0νββ) là một quá trình phân rã phóng xạ lý thuyết thường được đề xuất và theo đuổi bằng thực nghiệm sẽ chứng minh bản chất Majorana của hạt neutrino.

Việc phát hiện ra phân rã beta kép phi neutrino có thể làm sáng tỏ về khối lượng neutrino tuyệt đối và hệ thống phân cấp khối lượng của chúng (khối lượng neutrino). Đây có thể dấu hiệu đầu tiên về sự vi phạm bảo toàn số lượng lepton toàn phần. Bản chất Majorana của neutrino sẽ xác nhận rằng neutrino là phản hạt của chính nó.

Để tìm kiếm sự phân rã beta kép phi neutrino, hiện có một số thí nghiệm đang được tiến hành, với một số thí nghiệm trong tương lai để tăng độ nhạy cũng được đề xuất. Furry tuyên bố xác suất chuyển đổi thậm chí còn cao hơn đối với phân rã beta kép phi neutrino.}}

Nhà vật lý người Ý Ettore Majorana lần đầu tiên đưa ra khái niệm hạt là phản hạt của chính nó. Những hạt nhân này chỉ có thể phân rã bằng cách phát ra hai electron (nghĩa là thông qua phân rã beta kép). Có khoảng mười trường hợp hạt nhân đã được xác nhận chỉ có thể phân rã thông qua phân rã beta kép.]]

Nếu bản chất của neutrino là Majorana, thì chúng có thể được phát ra và hấp thụ trong cùng một quá trình mà không xuất hiện ở trạng thái cuối cùng tương ứng.
Quá trình phân rã đơn giản nhất được gọi là trao đổi neutrino ánh sáng.

Khi đó, hai electron thu được là các hạt phát xạ duy nhất ở trạng thái cuối cùng và phải mang xấp xỉ hiệu của tổng năng lượng liên kết của hai hạt nhân trước và sau quá trình dưới dạng động năng của chúng. Các hạt nhân nặng không mang động năng đáng kể. Các electron sẽ được phát ra từ phía sau do sự bảo toàn động lượng.

Trong trường hợp đó, tốc độ phân rã có thể được tính bằng công thức:

: \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

Trong đó: G^{0\nu} biểu thị hệ số không gian pha, \left| M^{0\nu}\right|^2 phần tử ma trận (bình phương) của quá trình phân rã hạt nhân này (theo giản đồ Feynman) và \langle m_{\beta\beta}\rangle^2 là bình phương khối lượng Majorana hữu hiệu. Bản thân phép tính này dựa trên các lý thuyết nhiều hạt nhân tinh vi và tồn tại các phương pháp khác nhau để thực hiện điều này. NME \left| M^{0\nu}\right| cũng khác nhau từ hạt nhân đến hạt nhân (tức là nguyên tố hóa học với nguyên tố hóa học). Ngày nay, việc tính toán NME là một vấn đề quan trọng và nó đã được các tác giả khác nhau xử lý theo những cách khác nhau. Một câu hỏi đặt ra là liệu có xử lý phạm vi giá trị thu được cho \left| M^{0\nu}\right| là độ không đảm bảo lý thuyết và liệu điều này sau đó có được hiểu là độ không đảm bảo thống kê hay không. Có 35 hạt nhân có thể trải qua quá trình phân rã beta kép không có hạt neutrino (theo các điều kiện phân rã nói trên). || >1,9\cdot 10^{25}
|-
|\mathrm{^{76}Ge}
|MAJORANA
|>8,3\cdot 10^{25}
|-
| \mathrm{^{82}Se}|| NEMO-3 || >1,0\cdot 10^{23}
|-
| \mathrm{^{82}Se}|| CUPID-0 || >4.6\cdot 10^{24}

|-
| \mathrm{^{96}Zr}|| NEMO-3 || >9,2\cdot 10^{21}
|-
| \mathrm{^{100}Mo}|| NEMO-3 || >2,1\cdot 10^{25}
|-
| \mathrm{^{116}Cd}|| Solotvina || >1,7\cdot 10^{23}
|-
|\mathrm{^{128}Te}
|CUORE
|>3,6\cdot 10^{24}
|-
| \mathrm{^{130}Te}|| CUORE|| >2,2\cdot 10^{25}
|-
| \mathrm{^{136}Xe}|| EXO || >3,5\cdot 10^{25}
|-
| \mathrm{^{136}Xe}|| KamLAND-Zen|| >2,3\cdot 10^{26}
|-
| \mathrm{^{150}Nd} || NEMO-3 || >2,1\cdot 10^{25}
|}

Hợp tác Heidelberg–Moscow
Cái gọi là "Hợp tác Heidelberg–Moscow" (HDM; 1990–2003) của Viện Vật lý Hạt nhân Max Planck của Đức và Viện Kurchatov của trung tâm khoa học Nga ở Moscow nổi tiếng tuyên bố đã tìm thấy "bằng chứng về sự phân rã beta kép phi neutrino" (tranh cãi Heidelberg–Moscow). Ban đầu, vào năm 2001, sự hợp tác đã công bố bằng chứng 2,2σ hoặc 3,1σ (tùy thuộc vào phương pháp tính toán được sử dụng). Nó sử dụng germani làm vật liệu nguồn và vật liệu dò. Giai đoạn II của thí nghiệm bắt đầu thu thập dữ liệu vào năm 2015 và nó đã sử dụng khoảng 36&nbsp;kg germani cho các máy dò. Máy dò đã ngừng hoạt động và công bố kết quả cuối cùng vào tháng 12 năm 2020. Không quan sát thấy sự phân rã beta kép phi neutrino nào. CUORE đã công bố kết quả vào năm 2020 từ việc tìm kiếm phân rã beta kép phi neutrino trong \mathrm{^{130}Te} với tổng mức phơi nhiễm là 372,5&nbsp;kg/năm, không tìm thấy bằng chứng nào cho sự phân rã 0νββ và đặt giới hạn dưới 90% CI Bayesian là T_{\beta\beta}^{0\nu}>2,2\cdot 10^{25} năm và vào tháng 4 năm 2022, một giới hạn mới đã được đặt ra đối với T_{\beta\beta}^{0\nu}>2,2\cdot 10^{25} năm ở cùng một mức độ tin cậy. Thí nghiệm đang lấy dữ liệu đều đặn và dự kiến sẽ hoàn thiện chương trình vật lý vào năm 2024.
Thí nghiệm KamLAND-Zen (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector-Zen):
Thí nghiệm KamLAND-Zen bắt đầu sử dụng 13 tấn xenon làm nguồn (được làm giàu với khoảng 320&nbsp;kg\mathrm{^{136}Xe}), chứa trong một quả bóng nylon được bao quanh bởi một quả bóng nhấp nháy lỏng bên ngoài có đường kính 13&nbsp;m. báo cáo giới hạn là T_{\beta\beta}^{0\nu}>1,07\cdot 10^{26} năm (90% C.L.). Năm 2023 giới hạn được cải thiện giới hạn của T_{\beta\beta}^{0\nu}>2,3\cdot 10^{26} năm (90% C.L.).

Các thí nghiệm được đề xuất / trong tương lai
Thí nghiệm nEXO:
Là thí nghiệm "kế nhiệm" của EXO-200, nEXO được lên kế hoạch trở thành một thử nghiệm quy mô lớn và là một phần của thế hệ thử nghiệm 0νββ tiếp theo. Vật liệu máy dò được lên kế hoạch nặng khoảng 5 tấn, cung cấp độ phân giải năng lượng 1% ở giá trị-Q.
LEGEND:
SuperNEMO:

Chuyển đổi muon phi neutrino
Muon phân rã: \mu^+\to e^{+}+\nu_{e}+\overline\nu_{\mu} và \mu^-\to e^{-}+\overline\nu_{e}+\nu_{\mu} trong khi có những phân rã khác có thể xảy ra, những phân rã này xảy ra mà không phát ra neutrino và khó xảy ra đến mức bị coi là bị cấm như \mu^+ \to e^{+}+\gamma, \mu^{-}\to e^{-}+\gamma, \mu^{+}\to e^{+}+e^{-}+e^{+} và \mu^{-}\to e^{-}+e^{+}+e^{-}, quan sát của họ sẽ được coi là bằng chứng về vật lý mới nâng cao xác suất của các quá trình như vậy. Một số thí nghiệm đang theo đuổi con đường này như Mu to E Gamma, Comet, và Mu2e cho \mu^+ \to e^{+}\gamma và Mu3e cho \mu^{+}\to e^{+}e^{-}e^{+}.

Chuyển đổi tau phi neutrino ở dạng \tau\to 3\mu đã được tìm kiếm bởi CMS.

Xem thêm
Phân rã beta kép
Tranh cãi Heidelberg–Moscow
Bắt giữ electron kép phi neutrino

Tham khảo