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Desintegración beta doble sin neutrinos

La desintegración doble beta sin neutrinos ( 0νββ ) es un proceso de desintegración radiactiva teórico comúnmente propuesto y perseguido experimentalmente que probaría una natur...

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La desintegración doble beta sin neutrinos ( 0νββ ) es un proceso de desintegración radiactiva teórico comúnmente propuesto y perseguido experimentalmente que probaría una naturaleza de 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 los neutrinos y sobre su jerarquía de masas ( masa del neutrino ). Significaría la primera señal de la violación de la conservación del número leptónico total. [5] Una naturaleza de Majorana de los neutrinos confirmaría que el neutrino es su propia antipartícula . [6]

Actualmente se están realizando varios experimentos para buscar la desintegración beta doble sin neutrinos 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 de Majorana del neutrino, que estaba asociada con las desintegraciones beta. [8] Furry afirmó que la probabilidad de transición era incluso mayor para el neutrino sin desintegración beta doble. [8] [ aclaración necesaria ] Fue la primera idea propuesta para buscar la violación de la conservación del número leptónico. [1] Desde entonces, ha llamado la atención sobre ella por ser útil para estudiar la naturaleza de los neutrinos (ver cita).

[E]l modo 0ν [...] que viola el número leptónico 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 fue el primero en introducir el concepto de que una partícula es su propia antipartícula. [6] Las partículas de esta naturaleza recibieron posteriormente su nombre de partículas de Majorana. La desintegración beta doble sin neutrinos es un método para buscar la posible naturaleza de Majorana de los neutrinos. [5]

Ettore Majorana, el primero en introducir la idea de que partículas y antipartículas son idénticas. [6]

Relevancia física

Desintegración beta doble 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 en uno. La masa del núcleo (es decir, la energía de enlace ) es entonces menor y, por lo tanto, más favorable. Existe una serie de elementos que pueden desintegrarse en un núcleo de menor masa, pero no pueden emitir un electrón simplemente porque el núcleo resultante no es cinemáticamente (es decir, en términos de energía) favorable (su energía sería mayor). [2] Estos núcleos solo pueden desintegrarse emitiendo dos electrones (es decir, mediante desintegración beta doble ). Hay alrededor de una docena de casos confirmados de núcleos que solo pueden desintegrarse mediante desintegración beta doble. [2] La ecuación de desintegración correspondiente es: Z {\displaystyle Z}

( A , Z ) → ( A , Z + 2 ) + 2 e − + 2 ν ¯ e {\displaystyle (A,Z)\rightarrow (A,Z+2)+2e^{-}+2{\bar {\nu }}_{e}} . [1]

Se trata de un proceso débil de segundo orden. [2] La desintegración simultánea de dos nucleones en el mismo núcleo es extremadamente improbable. Por ello, la duración de vida observada experimentalmente para tales procesos de desintegración es del orden de años. [10] Ya se han observado varios isótopos que muestran esta desintegración beta doble de dos neutrinos. [3] 10 18 − 10 21 {\displaystyle 10^{18}-10^{21}}

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

Descripción general

Diagrama de Feynman de desintegración beta doble sin neutrinos. En este caso, dos neutrones se desintegran en dos protones y dos electrones, pero ningún neutrino se encuentra en el estado final. La existencia de este mecanismo requeriría que los neutrinos fueran partículas de Majorana. [11]

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 después. [3]

La desintegración beta doble sin neutrinos sólo puede ocurrir si

  • La partícula neutrino es Majorana, [11] y
  • Existe un componente dextrógiro de la corriente leptónica débil o el neutrino puede cambiar su lateralidad entre emisión y absorción (entre los dos vértices W), lo que 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] En él, un nucleón emite un neutrino y otro lo absorbe (véase la figura de la derecha). En el estado final, las únicas partes restantes son el núcleo (con su número de protones modificado ) y dos electrones: Z {\displaystyle Z}

( A , Z ) → ( A , Z + 2 ) + 2 e − {\displaystyle (A,Z)\rightarrow (A,Z+2)+2e^{-}} [1]

Los dos electrones se emiten casi simultáneamente. [10]

Los dos electrones resultantes son entonces 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 energía cinética significativa.

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

Γ β β 0 ν = 1 T β β 0 ν = G 0 ν ⋅ | M 0 ν | 2 ⋅ ⟨ m β β ⟩ 2 {\displaystyle \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}} ,

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

En primer lugar, la masa efectiva de Majorana se puede obtener mediante

⟨ m β β ⟩ = ∑ i U e i 2 m i {\displaystyle \langle m_{\beta \beta }\rangle =\sum _{i}U_{ei}^{2}m_{i}} ,

donde están las masas de los 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 de Majorana de los neutrinos como a la medición de esta masa efectiva de Majorana (solo se puede hacer si la desintegración es realmente generada por las masas de los neutrinos). [7] m i {\displaystyle m_{i}} ν i {\displaystyle \nu _{i}} U e i {\displaystyle U_{ei}} U {\displaystyle U} ⟨ m β β ⟩ {\displaystyle \langle m_{\beta \beta }\rangle }

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. El NME también 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 maneras. Una pregunta es si se debe tratar el rango de valores obtenidos para como la incertidumbre teórica y si esto debe entenderse como una incertidumbre estadística . [7] Aquí se están eligiendo diferentes enfoques. Los valores obtenidos para 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 en descomposición. [7] | M 0 ν | {\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|} | M 0 ν | {\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|} | M 0 ν | {\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|} | M 0 ν | {\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}

Por último, también se debe calcular el factor de espacio de fase . [7] Depende de la energía cinética total liberada ( , es decir, " -valor") y del número atómico . Los métodos utilizan funciones de onda de Dirac , tamaños nucleares finitos y apantallamiento 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] G 0 ν {\displaystyle G^{0\nu }} Q = M nucleus before − M nucleus after − 2 m electron {\displaystyle Q=M_{\text{nucleus}}^{\text{before}}-M_{\text{nucleus}}^{\text{after}}-2m_{\text{electron}}} Q {\displaystyle Q} Z {\displaystyle Z} G 0 ν {\displaystyle G^{0\nu }} 52 128 T e → 54 128 X e {\displaystyle \mathrm {^{128}_{52}Te\rightarrow _{54}^{128}Xe} } 32 76 G e → 34 76 S e {\displaystyle \mathrm {^{76}_{32}Ge\rightarrow _{34}^{76}Se} } 60 150 N d → 62 150 S m {\displaystyle \mathrm {^{150}_{60}Nd\rightarrow _{62}^{150}Sm} }

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

Experimentos y resultados

Se están considerando nueve candidatos diferentes de núcleos en experimentos para confirmar la desintegración beta doble sin neutrinos: . [3] Todos ellos tienen argumentos a favor y en contra de su uso en un experimento. Los factores que se deben incluir y revisar son la abundancia natural , el enriquecimiento a un precio razonable y una técnica experimental bien entendida y controlada. [3] Cuanto mayor sea el valor de , 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] 48 C a , 76 G e , 82 S e , 96 Z r , 100 M o , 116 C d , 130 T e , 136 X e , 150 N d {\displaystyle \mathrm {^{48}Ca,^{76}Ge,^{82}Se,^{96}Zr,^{100}Mo,^{116}Cd,^{130}Te,^{136}Xe,^{150}Nd} } Q {\displaystyle Q} G 0 ν {\displaystyle G^{0\nu }} Q 5 {\displaystyle Q^{5}}

Experimentalmente, resulta de interés y, por lo tanto, se mide la suma de las energías cinéticas de los dos electrones emitidos. Debe ser igual al valor β del núcleo respectivo para la emisión beta doble sin neutrinos. [3] Q {\displaystyle Q}

La tabla muestra un resumen de los mejores límites actuales para la vida útil de 0νββ. De esto se puede deducir que la desintegración doble beta sin neutrinos es un proceso extremadamente raro, si es que ocurre.

Colaboración Heidelberg-Moscú

La llamada "colaboración Heidelberg-Moscú" (HDM; 1990-2003) del Instituto Max-Planck de Física Nuclear de Alemania y el centro científico ruso Instituto Kurchatov en Moscú afirmó haber encontrado "evidencia de desintegración beta doble sin neutrinos" ( controversia Heidelberg-Moscú ). [21] [22] Inicialmente, en 2001 la colaboración anunció una evidencia de 2,2σ, o 3,1σ (dependiendo del método de cálculo utilizado). [21] Se encontró que la tasa de desintegración era de alrededor de años. [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 vida claramente desfavorecen y rechazan los valores de la colaboración HDM. [7] 2 ⋅ 10 25 {\displaystyle 2\cdot 10^{25}}

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

Experimento GERDA (Conjunto de detectores de germanio)

El resultado de la fase I del detector de la colaboración Germanium Detector Array (GERDA) fue un límite de años (90% CL). [23] Se utilizó germanio como material de fuente y de detector. [23] Se utilizó argón líquido para vetar muones y como protección contra la radiación de fondo. [23] El valor de T β β 0 ν > 2.1 ⋅ 10 25 {\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.1\cdot 10^{25}} Q {\displaystyle Q} 76
El Ge para la desintegración 0νββ es de 2039 keV, pero no se encontró un exceso de eventos en esta región. [24] La fase II del experimento comenzó a tomar datos en 2015 y utilizó alrededor de 36 kg de germanio para los detectores. [24] La exposición analizada hasta julio de 2020 fue de 10,8 kg año. Nuevamente, no se encontró señal y, por lo tanto, se estableció un nuevo límite en años (90% CL). [25] El detector dejó de funcionar y publicó sus resultados finales en diciembre de 2020. No se observó una desintegración beta doble sin neutrinos. [15] T β β 0 ν > 5.3 ⋅ 10 25 {\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>5.3\cdot 10^{25}}

EXOExperimento (Observatorio de Xenón Enriquecido)

El experimento Enriched Xenon Observatory-200 utiliza xenón como fuente y detector. [23] 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 las deposiciones de trazas de electrones. [23] El experimento EXO-200 arrojó un límite de vida de años (90% CL). [19] Cuando se traduce a masa efectiva de Majorana, este es un límite del mismo orden que el obtenido por GERDA I y II. [23] T β β 0 ν > 3.5 ⋅ 10 25 {\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.5\cdot 10^{25}}

Actualmente se están realizando experimentos de toma de datos

  • Experimento CUORE (Observatorio criogénico subterráneo de eventos raros) :
    • El experimento CUORE consiste en un conjunto de 988 cristales ultrafríos de TeO 2 (para una masa total de 206 kg de ) utilizados como bolómetros para detectar las partículas beta emitidas y como fuente de la desintegración. CUORE está ubicado bajo tierra en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso , y comenzó su primera ejecución de datos de física en 2017. [26] CUORE publicó en 2020 los resultados de la búsqueda de la desintegración doble beta sin neutrinos en con una exposición total de 372,5 kg⋅yr, sin encontrar evidencia de desintegración 0νββ y estableciendo un límite inferior bayesiano del 90% IC de años [27] y en abril de 2022 se estableció un nuevo límite de años con el mismo nivel de confianza. [28] [29] El experimento está tomando datos de manera constante y se espera que finalice su programa de física para 2024. 130 T e {\displaystyle \mathrm {^{130}Te} } 130 T e {\displaystyle \mathrm {^{130}Te} } T β β 0 ν > 3.2 ⋅ 10 25 {\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.2\cdot 10^{25}} T β β 0 ν > 2.2 ⋅ 10 25 {\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.2\cdot 10^{25}}
  • Experimento KamLAND-Zen (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector-Zen) :
    • El experimento KamLAND-Zen comenzó usando 13 toneladas de xenón como fuente (enriquecido con aproximadamente 320 kg de ), contenido en un globo de nailon rodeado por un globo exterior de centelleo líquido de 13 m de diámetro. [23] A partir de 2011, KamLAND-Zen Fase I comenzó a tomar datos, lo que eventualmente llevó a establecer un límite en la vida útil para la desintegración doble beta sin neutrinos de años (90% CL). [23] Este límite podría mejorarse combinando con los datos de la Fase II (la toma de datos comenzó en diciembre de 2013) a años (90% CL). [23] Para la Fase II, la colaboración logró especialmente reducir la desintegración de , que perturbó las mediciones en la región de interés para la desintegración 0νββ de . [23] En agosto de 2016, KamLAND-Zen 800 se completó conteniendo 800 kg de , [30] informando un límite de años (90% CL). [31] [32] [33] En 2023 se mejoró el límite de años (90% CL). [20] [34] 136 X e {\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} } T β β 0 ν > 1.9 ⋅ 10 25 {\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.9\cdot 10^{25}} T β β 0 ν > 2.6 ⋅ 10 25 {\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.6\cdot 10^{25}} 110 m A g {\displaystyle \mathrm {^{110m}Ag} } 136 X e {\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} } 136 X e {\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} } T β β 0 ν > 1.07 ⋅ 10 26 {\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.07\cdot 10^{26}} T β β 0 ν > 2.3 ⋅ 10 26 {\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.3\cdot 10^{26}}

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. [35] Se planea que el material del detector pese alrededor de 5 t, brindando una resolución de energía del 1% en el valor . [35] Se planea que el experimento brinde una sensibilidad de vida útil de aproximadamente años después de 10 años de toma de datos. [36] Q {\displaystyle Q} T β β 0 ν > 1.35 ⋅ 10 28 {\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.35\cdot 10^{28}}
  • LEYENDA (experimento)
  • Súper NEMO
  • Sin dudas ++ :
    • El experimento NuDoubt⁺⁺ tiene como objetivo la medición de desintegraciones dobles débiles positivas de dos neutrinos y sin neutrinos (2β⁺/ECβ⁺). [37] Se basa en un nuevo concepto de detector que combina centelleadores híbridos y opacos emparejados con una novedosa técnica de lectura de luz. [38] La tecnología es particularmente adecuada para detectar firmas de positrones (β⁺). En su primera fase, NuDoubt⁺⁺ va a funcionar bajo carga de alta presión de gas Kr-78 enriquecido. Espera descubrir modos de desintegración doble débil positiva de dos neutrinos de Kr-78 dentro de una exposición de 1 tonelada-semana [38] y es capaz de investigar modos de desintegración doble débil positiva sin neutrinos en varios órdenes de magnitud de significancia mejorada en comparación con los límites experimentales actuales. Después de una exposición de 1 tonelada-semana, se espera una sensibilidad de vida media de años (90% CL) para Kr-78. [38] Las fases posteriores pueden implicar búsquedas de desintegraciones doblemente débiles positivas en Xe-124 y Cd-106. T β + β + 0 ν > 10 24 {\displaystyle T_{\beta +\beta +}^{0\nu }>10^{24}}

Conversión de muones sin neutrinos

El muón se desintegra como y . Las desintegraciones sin emisión de neutrinos, como , y son tan improbables que se consideran prohibidas y su observación se consideraría evidencia de nueva física . Varios experimentos están siguiendo este camino, como Mu to E Gamma , Comet y Mu2e para y Mu3e para . μ + → e + + ν e + ν ¯ μ {\displaystyle \mu ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+{\overline {\nu }}_{\mu }} μ − → e − + ν ¯ e + ν μ {\displaystyle \mu ^{-}\to e^{-}+{\overline {\nu }}_{e}+\nu _{\mu }} μ + → e + + γ {\displaystyle \mu ^{+}\to e^{+}+\gamma } μ − → e − + γ {\displaystyle \mu ^{-}\to e^{-}+\gamma } μ + → e + + e − + e + {\displaystyle \mu ^{+}\to e^{+}+e^{-}+e^{+}} μ − → e − + e + + e − {\displaystyle \mu ^{-}\to e^{-}+e^{+}+e^{-}} μ + → e + γ {\displaystyle \mu ^{+}\to e^{+}\gamma } μ + → e + e − e + {\displaystyle \mu ^{+}\to e^{+}e^{-}e^{+}}

El experimento CMS ha buscado la conversión de tau sin neutrinos en la forma . [39] [40] τ → 3 μ {\displaystyle \tau \to 3\mu }

Véase también

Referencias

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