Desintegración beta doble sin neutrinos

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 (o disminuyen) el número de protones del núcleo .${\displaystyle \ Z\ ,}$por uno, mientras deja su peso atómico ,${\displaystyle \ A\ ,}$sin alterar:

${\displaystyle \ (A,Z)\ \longrightarrow \ (A,Z+1)\ +\ e^{-}\ +\ {\bar {\nu }}_{e}\quad }$y

${\displaystyle \ (A,Z)\ \longrightarrow \ (A,Z-1)\ +\ e^{+}\ +\ \nu _ {e}~.}$

La masa del núcleo (es decir, la energía de enlace ) es entonces menor y, por lo tanto, más favorable. Existen varios elementos que pueden desintegrarse en un núcleo de menor masa, pero no pueden emitir un solo electrón porque el núcleo resultante no es cinemáticamente favorable (es decir, en términos de energía) (su energía sería mayor). ^{[ 2 ]} Estos núcleos solo pueden desintegrarse emitiendo dos electrones (es decir, mediante desintegración beta doble ). Se ha confirmado que alrededor de una docena de núcleos se desintegran únicamente mediante desintegración beta doble. ^{[ 2 ]} La ecuación de desintegración correspondiente es:

${\displaystyle \ (A,Z)\ \longrightarrow \ (A,Z+2)\ +\ 2\ e^{-}\ +\ 2\ {\bar {\nu }}_{e}~.}$^{[ 1 ]}

Es un proceso débil de segundo orden. ^{[ 2 ]} La desintegración simultánea de dos nucleones en el mismo núcleo es extremadamente improbable. Por lo tanto, las vidas medias observadas experimentalmente de tales procesos de desintegración son del orden de 10¹⁸ ~ 10²¹ años. ^{[ 14 ]} Ya se han observado variosisótoposque muestran esta desintegración beta doble de dos neutrinos. ^{[ 3 ]}

Esta desintegración beta doble convencional está permitida en el Modelo Estándar de la física de partículas . ^{[ 3 ]} Por lo tanto, tiene una base tanto teórica como experimental.

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 , ambos neutrinos producidos por la desintegración de los bosones W serían emitidos y no absorbidos posteriormente. ^{[ 3 ]}

La desintegración beta doble sin neutrinos solo puede ocurrir si ambos

• la partícula neutrino es Majorana, ^{[ 15 ]} y
• Existe un componente diestro de la corriente leptónica débil o el neutrino puede cambiar su quiralidad entre emisión y absorción (entre los dos vértices W), lo cual es posible para una masa de neutrino 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 ]} Consiste en un neutrino emitido por un nucleón y absorbido por otro (véase la figura de la derecha). En el estado final, las únicas partes restantes son el núcleo (con su número de protones modificado).${\displaystyle \ Z\ }$) y dos electrones:

${\displaystyle \ (A,Z)\longrightarrow (A,Z+2)+2e^{-}~.}$^{[ 1 ]}

Los dos electrones se emiten casi simultáneamente. ^{[ 14 ]}

Los dos electrones resultantes son entonces las únicas partículas emitidas en el estado final y deben transportar aproximadamente la diferencia de las sumas de las energías de enlace de los dos núcleos antes y después del proceso como su energía cinética. ^{[ 16 ]} Los núcleos pesados ​​no transportan energía cinética significativa.

En ese caso, la tasa de decaimiento se puede calcular con

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

dónde${\displaystyle \ G^{0\nu }\ }$denota el factor del espacio de fase ,${\displaystyle \ \left|M^{0\nu }\right|^{2}\ }$el elemento de matriz (al cuadrado) de este proceso de desintegración nuclear (según el diagrama de Feynman), y${\displaystyle \ \langle m_{\beta \beta }\rangle ^{2}\ }$el cuadrado de la masa efectiva de Majorana. ^{[ 5 ]}

Primero, la masa efectiva de Majorana se puede obtener mediante

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

dónde${\displaystyle \ m_{i}\ }$son las masas (estimadas) de los neutrinos de Majorana (tres neutrinos${\displaystyle \ \nu _{i}\ }$) y${\displaystyle \ U_{ei}\ }$son los elementos de la columna de electrones de la matriz de mezcla de neutrinos${\displaystyle \ U\ }$(véase la matriz PMNS ). ^{[ 7 ]} Los experimentos contemporáneos para encontrar desintegraciones beta dobles sin neutrinos (véase la sección sobre experimentos ) tienen como objetivo tanto la prueba de la naturaleza de Majorana de los neutrinos como la medición de esta masa efectiva de Majorana.${\displaystyle \ \langle m_{\beta \beta }\rangle \ }$(solo puede hacerse si la desintegración es generada realmente por las masas de los neutrinos). ^{[ 7 ]}

El elemento de matriz nuclear ( NME,${\displaystyle \ \left|M^{0\nu }\right|\ ,}$) no se puede medir de forma independiente, pero se puede calcular. ^{[ 17 ]} El cálculo en sí se basa en sofisticadas teorías nucleares de muchos cuerpos y existen diferentes métodos para hacerlo. El NME,${\displaystyle \ \left|M^{0\nu }\right|\ ,}$difiere también de núcleo a núcleo (es decir, de elemento químico a elemento químico). Hoy en día, el cálculo del NME es un problema significativo y ha sido tratado por diferentes autores de diferentes maneras. Una pregunta es si tratar el rango de valores obtenidos para${\displaystyle \ \left|M^{0\nu }\right|\ }$como la incertidumbre teórica y si esto debe entenderse entonces como una incertidumbre estadística . ^{[ 7 ]} Aquí se están eligiendo diferentes enfoques. Los valores obtenidos para${\displaystyle \ \left|M^{0\nu }\right|\ }$A 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 que se desintegra. ^{[ 7 ]}

Por último, el factor del espacio de fases${\displaystyle \ G^{0\nu }\ }$También debe calcularse. ^{[ 7 ]} Depende del número atómico${\displaystyle Z}$y la energía cinética total liberada (la "${\displaystyle Q}$-valor"):

${\displaystyle \ Q\ =\ M_{\mathsf {núcleo}}^{\mathsf {antes}}\ -\ M_{\mathsf {núcleo}}^{\mathsf {después}}\ -\ 2\ m_{\mathsf {electrón}}~.}$

Los métodos utilizan funciones de onda de Dirac , tamaños nucleares finitos y apantallamiento electrónico. ^{[ 7 ]} Existen resultados de alta precisión para${\displaystyle G^{0\nu }}$para varios núcleos, que van desde aproximadamente  0,23 ( para${\displaystyle \ \mathrm {^{128}_{~52}Te\rightarrow {}_{~54}^{128}Xe} \ }$) y  0,90 (${\displaystyle \ \mathrm {^{76}_{32}Ge\rightarrow {}_{34}^{76}Se} \ }$) a aproximadamente  24.14 (${\displaystyle \ \mathrm {^{150}_{~60}Nd\rightarrow {}_{~62}^{150}Sm} \ }$) . ^{[ 7 ]}

Se cree que, si se encuentra la desintegración beta doble sin neutrinos bajo ciertas condiciones (tasa de desintegración compatible con las predicciones basadas en el conocimiento experimental sobre las masas y la mezcla de neutrinos), esto apuntaría "probablemente" a los neutrinos de Majorana como el principal mediador (y no a otras fuentes de nueva física). ^{[ 7 ]} Hay 35 núcleos que pueden experimentar la desintegración beta doble sin neutrinos (según las condiciones de desintegración mencionadas). ^{[ 3 ]}

La denominada "colaboración Heidelberg-Moscú" (HDM; 1990-2003) del Instituto Max Planck de Física Nuclear alemán y el centro científico ruso Instituto Kurchatov de Moscú afirmó haber encontrado "evidencia de desintegración beta doble sin neutrinos" ( controversia Heidelberg-Moscú ). ^{[ 31 ] [ 32 ]} Inicialmente, en 2001, la colaboración anunció una evidencia de 2,2 σ o de 3,1 σ (dependiendo del método de cálculo utilizado). ^{[ 31 ]} Se encontró que la tasa de desintegración era de alrededor de${\displaystyle 2\cdot 10^{25}\ \mathrm {years} ~.}$^{[ 3 ]} Este resultado ha sido objeto de debate entre muchos científicos y autores. ^{[ 3 ]} Hasta la fecha, ningún otro experimento ha confirmado ni aprobado el resultado del grupo HDM. ^{[ 7 ]} En cambio, los resultados recientes del experimento GERDA sobre el límite de vida útil claramente desfavorecen y rechazan los valores de la colaboración HDM. ^{[ 7 ]}

Aún no se ha encontrado la desintegración beta doble sin neutrinos. ^{[ 4 ]}

El resultado de la fase I del detector de la colaboración Germanium Detector Array (GERDA) fue un límite de ${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.1\cdot 10^{25}\ \mathrm {years} \ }$(90% CL ). Se utilizó germanio tanto como material de fuente como de detector. Se utilizó argón líquido para el veto de muones y como blindaje contra la radiación de fondo. ^{[ 33 ]} El${\displaystyle Q}$-valor de ⁷⁶Ge para la desintegración ββ de 0 ν es 2039  keV, pero no se encontró ningún exceso de eventos en esta región. ^{[ 34 ]} La fase II del experimento comenzó a tomar datos en 2015 y utilizó alrededor de 36  kg de germanio para los detectores. ^{[ 34 ]} La exposición analizada hasta julio  de 2020 fue de 10,8  kg año. Nuevamente, no se encontró ninguna señal y, por lo tanto, se estableció un nuevo límite para${\displaystyle \ T_{\beta \beta }^{0\nu }>5.3\cdot 10^{25}\ \mathrm {years} \ }$(90%  CL). ^{[ 35 ]} El detector ha sido desactivado y sus resultados finales se publicaron en diciembre  de 2020. No se observó ninguna desintegración beta doble sin neutrinos. ^{[ 20 ]} El experimento sucesor es LEGEND, que utiliza la misma tecnología para lograr sensibilidad a vidas medias más largas. ^{[ 36 ]}

La colaboración Majorana publicó su primer resultado a partir de datos tomados durante la construcción, la puesta en marcha y el inicio de las operaciones en 2018. Con un total de 9,95  kg/año de ^{76 enriquecido}Exposición al Ge , la colaboración estableció un límite inferior en la vida media de 0 ν ββ en ⁷⁶Ge de${\displaystyle \ 1.9\cdot 10^{25}\ \mathrm {years} ~.}$^{[ 37 ]} En 2019, se publicó un nuevo resultado con26,0 ± 0,5 kg·añode exposición enriquecida. El demostrador Majorana observó un evento en la región de interés, donde solo se esperaban 0,65 eventos a partir del fondo estimado. Esto resultó en un límite inferior en el ⁷⁶Vida media de desintegración doble 𝛽 sin neutrinos de Ge${\displaystyle \ 2.7\cdot 10^{25}\ \mathrm {years} \ }$(90% CL ). ^{[ 38 ]} El resultado final de la búsqueda de 0 ν ββ del experimento se publicó en 2023, con una exposición activa enriquecida total de 64,5  kg año. Este resultado estableció un límite de vida media de 0 ν ββ en ⁷⁶Ge en${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>8.3\cdot 10^{25}}$año (90% CL ). Además, el demostrador Majorana tuvo una resolución energética líder en el mundo de 2,52 keV FWHM a 2039 keV.${\displaystyle Q_{\beta \beta }}$. ^{[ 21 ]} La colaboración Majorana se fusionó con la colaboración GERDA para formar LEGEND, su experimento sucesor.

El experimento Observatorio de Xenón Enriquecido-200 utiliza xenón tanto como fuente como detector. ^{[ 33 ]} El experimento está ubicado en Nuevo México (EE. UU.) y utiliza una cámara de proyección temporal (TPC) para la resolución espacial y temporal tridimensional de los depósitos de trazas de electrones. ^{[ 33 ]} El experimento EXO-200 arrojó un límite de vida útil de${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.5\cdot 10^{25}\ \mathrm {years} \ }$(90% CL ). ^{[ 29 ]} Cuando se traduce a masa efectiva de Majorana, este es un límite del mismo orden que el obtenido por GERDA  I y II. ^{[ 33 ]}

• Experimento CUORE (Observatorio Criogénico Subterráneo para Eventos Raros) :
  • El experimento CUORE consiste en una matriz de 988 cristales de TeO ₂ ultrafríos (para una masa total de 206  kg de${\displaystyle \mathrm {{}^{130}Te} }$) utilizados como bolómetros para detectar las partículas beta emitidas y como fuente de la desintegración. CUORE está ubicado bajo tierra en los Laboratori Nazionali del Gran Sasso , y comenzó su primera ejecución de datos físicos en 2017. ^{[ 39 ]} CUORE publicó en 2020 resultados de la búsqueda de la desintegración doble beta sin neutrinos en${\displaystyle \mathrm {{}^{130}Te} }$con una exposición total de 372,5  kg⋅año, sin encontrar evidencia de desintegración ββ 0 ν y estableciendo un límite inferior bayesiano del IC del 90 % de${\displaystyle \ T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.2\cdot 10^{25}\ \mathrm {years} \ }$^{[ 40 ]} y en abril de 2022 se estableció un nuevo límite en${\displaystyle \ T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.2\cdot 10^{25}\ \mathrm {years} \ }$al mismo nivel de confianza. ^{[ 41 ] [ 42 ]} Otros resultados publicados en enero de 2026 aumentaron el límite a${\displaystyle \ T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.5\cdot 10^{25}\ \mathrm {years} \ }$. ^{[ 28 ]}
• Experimento KamLAND-Zen (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector-Zen) :
  • El experimento KamLAND-Zen comenzó utilizando 13 toneladas de xenón como fuente (enriquecido con aproximadamente 320  kg de ¹³⁶ Xe), contenido en un globo de nailon rodeado por un globo exterior de centelleador líquido de 13  m de diámetro. ^{[ 33 ]} A partir de 2011, la Fase I de KamLAND-Zen comenzó a tomar datos, lo que finalmente llevó a establecer un límite en la vida útil para la desintegración beta doble sin neutrinos de${\displaystyle \ T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.9\cdot 10^{25}\ \mathrm {years} \ }$( IC del 90% ). ^{[ 33 ]} Este límite podría mejorarse combinándolo con  los datos de la Fase II (la toma de datos comenzó en diciembre de 2013) para${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.6\cdot 10^{25}\ \mathrm {years} \ }$(90% CL). ^{[ 33 ]} Para la Fase  II, la colaboración logró especialmente reducir la desintegración de${\displaystyle \mathrm {{}^{110m}Ag} }$, lo que perturbó las mediciones en la región de interés para la desintegración ββ de 0 ν${\displaystyle \mathrm {{}^{136}Xe} }$. ^{[ 33 ]} En agosto  de 2016, se completó KamLAND-Zen 800,  que contenía 800 kg de${\displaystyle \mathrm {{}^{136}Xe} }$, ^{[ 43 ]} informando un límite de${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.07\cdot 10^{26}\ \mathrm {years} \ }$(90% CL). ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} En 2023 el límite se mejoró a${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.3\cdot 10^{26}\ \mathrm {years} \ }$(IC del 90%), ^{[ 47 ] [ 48 ]} y en 2025 se mejoró a${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.8\cdot 10^{26}\ \mathrm {years} \ }$(IC del 90%). ^{[ 30 ]}
• LEYENDA ^{[ 36 ]}
  • El experimento LEGEND consiste en detectores de germanio de alta pureza enriquecidos a aproximadamente un 90 % ^{de 76} Ge e inmersos en un criostato de argón líquido, cuya luz centelleante actúa como un filtro para eventos de fondo externos. El experimento LEGEND es el sucesor de los experimentos demostradores GERDA y MAJORANA. ^{[ 49 ]}
• JUNO (Observatorio Subterráneo de Neutrinos de Jiangmen) ^{[ 50 ]}

• Experimento nEXO :
  • Como sucesor de EXO-200, nEXO está planeado para ser un experimento a escala de toneladas y parte de la próxima generación de experimentos 0 ν ββ. ^{[ 51 ]} Se planea que el material del detector pese alrededor de 5  t, sirviendo una resolución de energía del 1% en el${\displaystyle Q}$-valor. ^{[ 51 ]} El experimento está planeado para ofrecer una sensibilidad de por vida de aproximadamente${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.35\cdot 10^{28}\ \mathrm {years} \ }$después de 10  años de recopilación de datos. ^{[ 52 ]}
• SuperNEMO
• NuDoubt ⁺⁺ :
  • El experimento NuDoubt⁺⁺ tiene como objetivo la medición de desintegraciones débiles dobles positivas de dos neutrinos y sin neutrinos (2β⁺/ECβ⁺). ^{[ 53 ]} Se basa en un nuevo concepto de detector que combina centelleadores híbridos y opacos junto con una novedosa técnica de lectura de luz. ^{[ 54 ]} La tecnología es particularmente adecuada para detectar firmas de positrones (β⁺). En su primera fase, NuDoubt⁺⁺ operará bajo una carga de alta presión de gas ⁷⁸ Kr enriquecido. Se espera que descubra modos de desintegración débil doble positiva de dos neutrinos de ⁷⁸ Kr dentro de una exposición de 1  tonelada-semana ^{[ 54 ]} y es capaz de sondear modos de desintegración débil doble positiva sin neutrinos con una significancia mejorada en varios órdenes de magnitud en comparación con los límites experimentales actuales. Después de una exposición de 1  tonelada-semana, una sensibilidad de vida media de${\displaystyle T_{\beta +\beta +}^{0\nu }>10^{24}\ \mathrm {years} \ }$Se espera un CL del 90% para ^{el 78} Kr. ^{[ 54 ]} Las fases posteriores pueden implicar búsquedas de desintegraciones débiles dobles positivas en ^{el 124} Xe y ^{el 106} Cd.