Г.И. Быхало

Безнейтринный двойной бета-распад

Введение

    Поиск безнейтринного двойного бета-распада и наблюдение этого типа ядерного распада имеют важные следствия для нашего понимания физики, указывая на возможное нарушение закона сохранения лептонного числа. Нарушение этого закона означает подтверждение идентичности нейтрино и антинейтрино и проливает свет на загадочный факт, состоящий в том, что в результате Большого взрыва образовалось больше материи, чем антиматерии.

1. Двойной бета-распад

    Двойной бета-распад (2β-распад, ββ-распад) — это общее название нескольких видов радиоактивного распада атомного ядра, которые обусловлены слабым взаимодействием и изменяют заряд ядра на две единицы. Впервые на этот особый вид бета-распада ядер обратила внимание
М. Гепперт-Майер еще в 1935 г.
    В случае сохранения лептонного числа 2β-распад атомного ядра (A,Z) сопровождается испусканием двух электронов или позитронов и двух электронных антинейтрино или нейтрино ν_e (2ν). Происходит превращение в ядро-изобару (то же массовое число А) с электрическим зарядом Z2:

A (Z, N) → A (Z+2, N-2) + 2e⁻ + 2_e ;
A (Z, N) → A (Z-2, N+2) + 2e⁺ + 2ν_e .

    2β-распад возможен только при определенном условии. Для его наблюдения необходимо, чтобы цепочка двух последовательных одиночных β-распадов

(A, Z) → (A, Z+1) + e⁻ + _e → (A, Z+2) + 2e⁻ + 2_e ,
(A, Z) → (A, Z-1) + e⁺ + ν_e → (A, Z-2) + 2e⁺ + 2ν_e

была запрещена по энергии или сильно подавлена законом сохранения полного момента импульса (т.е., цепочка имеет малую вероятность). Такая ситуация возникает при слишком большой массе М промежуточного ядра A(Z1, N±1) или полном угловом моменте I, сильно отличающемся от моментов начального или конечного ядер.

Рисунок 1. Диаграмма Фейнмана двойного β-распада

    Двойной β-распад является самым редким из всех процессов радиоактивного распада. Зафиксировать его довольно сложно, и успеха физики добились только в 1986-м. Двойному бета-распаду подвержено совсем небольшое число изотопов, объединённых общим свойством: они имеют бóльшую энергию связи ядра, чем их соседи по периодической таблице с увеличенным на единицу атомным номером, и меньшую энергию связи, чем ядра с атомным номером, сдвинутым на два. В такой ситуации «одинарный» бета-распад энергетически запрещён, тогда как двойной − допускается. Во всех случаях, когда достоверно установлен этот тип распада, периоды полураспада больше 10¹⁸ лет, что на несколько порядков превышает время существования Вселенной. Все 11 нуклидов, для которых этот процесс достоверно наблюдался, имеют период полураспада больше чем 7·10¹⁸ лет, а у ¹²⁸Te период полураспада составляет (3.5±2.0)·10²⁴ лет, что на сегодня является абсолютным рекордом среди всех радиоактивных изотопов.

2. Безнейтринный двойной бета-распад

    Рассмотрим, чем интересен безнейтринный (0ν) 2β-распад – процессы двойного β-распада ядер без образования нейтрино в конечном состоянии:

A (Z, N) → A (Z+2, N-2) + 2e⁻.

    В этом случае нейтрино, образовавшееся при β-распаде одного из нейтронов ядра (A,Z) взаимодействует со вторым нейтроном образовавшегося ядра (A,Z+1):

n → p + e⁻ + ν_e,
n + ν_e → p + e⁻.

    В результате «рождаются» 2 электрона и заряд ядра увеличивается на две единицы (рис. 2). Распад такого типа возможен, если лептонное число не сохраняется, отчего нейтрино ν_e является истинно нейтральной частицей, т.е. совпадает (тождественно) со своей античастицей .

ν_e ≡ _e.

    Безнейтринный вариант распада также реализуется только при условии смены спиральности (проекции спина на направление импульса) нейтрино. Возможность такого изменения, в свою очередь, прямо связана с вопросом о массе этой частицы. При ненулевой массе последняя должна двигаться со скоростью меньше скорости света, а это означает, что её всегда можно «обогнать», перейдя в новую систему отсчёта, которая перемещается быстрее; поскольку импульс в этой системе имеет направление, противоположное исходному, вслед за ним и сменится спиральность. Таким образом, если удастся определить, насколько часто происходит безнейтринный двойной бета-распад, возможно будет оценить и массу нейтрино.
    Показано, что для осуществления (0ν)2β-распада необходимо, чтобы

• нейтрино являлось майорановской частицей (т. е. представляло собой собственную античастицу),
• нейтрино обладало массой.

    Благодаря этому обстоятельству, (0ν)2β-распад является чувствительным показателем майорановской массы нейтрино.
    Исследуя ββ-распад, можно найти ответ на один из фундаментальных вопросов физики нейтрино: является нейтрино дираковской или майорановской частицей. Дираковское нейтрино существует в двух формах: нейтрино ν_e и антинейтрино _e. Майорановское нейтрино – симметричная частица: нейтрино тождественно антинейтрино.
    Если нейтрино является дираковской частицей, то при двойном β-распаде совместно с двумя электронам должно испускаться два антинейтрино. Расчёты Гепперт-Майер показали, что период полураспада в этом случае должен быть порядка 10²³ лет. 

Рис. 2. Безнейтринный двойной β−-распад.

    Если нейтрино майорановская частица, то возможен ββ^--распад без испускания нейтрино. Нейтрино, испущенное при распаде первого нейтрона, поглощается тем же ядром при испускании второго электрона (рис. 2).
    Двойной β^--распад, когда испускание двух электронов сопровождается испусканием двух антинейтрино, − разрешенный в рамках Стандартной модели процесс, но он сильно подавлен, т.к. по константе слабого взаимодействия имеет второй порядок. Характерные времена этого распада составляют 10¹⁸–10²⁴ лет.
    Итог: безнейтринный 2β⁻-распад сопровождается испусканием только двух электронов, т.е. в этом распаде происходит нарушение закона сохранения лептонного числа L_e на две единицы. Однако такой процесс происходит для майорановского нейтрино ν_e ≡ _e с массой, не равной 0. 

3. Природа нейтрино

    Нейтрино – элементарные частицы, участвующие в одном из четырех фундаментальных взаимодействий, конкретно – в слабом взаимодействии. Оно лежит в основе радиоактивных распадов, и именно «непорядок» с физическим описанием одного из типов таких распадов заставил великого физика Вольфганга Паули в 1930 году придумать новую частицу.
    Прошло почти сто лет с момента открытия нейтрино, но до сих пор оно остается, наверное, самой загадочной из известных элементарных частиц. В отличие от лептонов и кварков нейтрино не имеет ни электрического, ни цветового заряда и взаимодействует с веществом только в слабых процессах за счет обмена заряженными и нейтральными промежуточными бозонами. Как единственный нейтральный фермион нейтрино может быть безмассовым.
    Фундаментальных причин для требования нулевой массы нейтрино нет. Не нулевая, хоть и малая, масса нейтрино предполагается как основа в современных теоретических моделях, построенных на электрослабой теории, предполагающей кварк-лептонную универсальность.
    Главные вопросы о природе нейтрино остаются или оставались до совсем недавнего времени открытыми:

• Массивны ли нейтрино?
• За счет какого механизма генерируются нейтринные массы?
• Идентичны ли состояния по слабому взаимодействию собственным массовым состояниям или имеет место нейтринное смешивание.
• Аналогичны ли нейтрино своим античастицам и являются истинно нейтральными (майорановскими) частицами или нет (дираковскими)?
• Стабильно ли нейтрино?

    Обнаружение массы нейтрино свидетельствовало бы о проявлении Новой физики, лежащей далеко за пределами Стандартной модели в области 10¹⁵ ГэВ. И вот это случилось! Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили Нобелевскую премию по физике 2015 года «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу». Когда нейтрино путешествуют сквозь космос, квантово-механические флуктуации меняют их состояния, с электронного на мюонное или таонное. Группа Кадзиты проследила, как происходят осцилляции атмосферных нейтрино, а группа Макдональда выяснила, что нейтрино, летящие от Солнца, не исчезают на пути к Земле, а просто меняют свои состояния.
    Нейтрино имеют ненулевую массу, но эта масса крайне мала. Верхняя экспериментальная оценка суммы масс всех типов нейтрино составляет всего 0.28 эВ. Разница квадратов масс нейтрино разных поколений, полученная из осцилляционных экспериментов, не превышает 2.7·10⁻³ эВ².
    В современной астрофизике и космологии наличие массы нейтрино формирует наши взгляды на строение и эволюцию Вселенной.

4. Сравнение нейтринного и безнейтринного двойных бета-распадов

    Достоверно установлено наличие только двухнейтринного двойного бета-распада, допускаемого классической теорией. Несмотря на многочисленные экспериментальные попытки, безнейтринный двойной β-распад все ещё не обнаружен. Обнаружение хотя бы одного процесса безнейтринной моды 2β-распада будет означать необходимость пересмотра положений Стандартной Модели физики элементарных частиц. Сложность экспериментального изучения 2β-распада обусловлена его чрезвычайно малой вероятностью. Поэтому пока были получены только оценки нижней границы периода полураспада для (0ν)2β-распад. Для сравнения в таблице 1 приведены экспериментальные результаты по периодам полураспада обычного 2β-распада и безнейтринного 2β-распада некоторых изотопов.

Таблица 1

Периоды полураспада T_1/2(2β2ν) и T_1/2(2β0ν) некоторых изотопов

5. Эксперименты по поиску безнейтринного двойного бета-распада

    Для того чтобы отличить нейтринный двойной бета-распад от безнейтринного, используются детекторы, фиксирующие энергию испускаемых электронов. При двойном бета-распаде часть энергии системы «уносится» нейтрино, поэтому энергия электронов всегда будет ниже теоретического минимума. Но если детекторы зафиксируют достаточное количество электронов с высокими энергиями — это может быть свидетельством существования безнейтринного двойного бета-распада.
    В 2001 году внимание ученых привлекло заявление группы физиков из Института Макса Планка (Германия), использовавших оборудование Гран-Сассо для экспериментов с изотопом германия-76, ядра которого — одни из немногих обладающих нужным для двойного бета-распада числом протонов и нейтронов. Исследователи утверждали, что получили свидетельства безнейтринного двойного бета-распада, однако их независимые коллеги оспорили чистоту эксперимента. По мнению оппонентов, не был исключен обычный радиоактивный распад, который также мог стать причиной подобного сигнала.
    В настоящее время действуют, сооружаются и проектируются несколько десятков детекторов, предназначенных для наблюдения безнейтринного β-распада. Некоторые из крупных установок, имеющих в своей программе поиск (0ν)2β-распад, перечислены в таблице 2.
    В ряде разработок исследуемые изотопы входят в состав рабочего вещества детектора. Например, использующие полупроводниковый детектор, обогащенный ⁷⁶Ge или сцинтилляционные кристаллы CaF₂, CaWO₄. Разработаны новые типы детекторов, использующие криогенные болометры, времяпролетные камеры и т.д.

Проект Majorana Demonstrator (MJD), предполагающий обнаружение безнейтринного двойного бета-распада, был запущен в «сверхчистой» лаборатории, расположенной в полутора километрах под землей, штат Южная Дакота, США, введен в эксплуатацию. Для поисков безнейтринного двойного бета-распада германия-76 в эксперименте Majorana используются свыше 22 килограммов детекторов, сделанных из германия, обогащенного изотопом германий-76. В мае 2015 г. первый полный модуль, состоящий из 29 германиевых детекторов, был установлен внутри свинцово-медного цилиндра, играющего роль защитной оболочки, и в октябре введен в эксплуатацию. Глубокое расположение оборудования для эксперимента и повышенная чистота лаборатории требуются для того, чтобы избежать «фоновых» событий, которые могут быть ошибочно приняты за феноменально редкий (0ν) 2β-распад.
    Этот проект призван продемонстрировать, насколько низкий уровень «фона» может быть достигнут в лаборатории, чтобы доказать осуществимость более масштабных и чувствительных экспериментов, которые могут быть предложены в будущем.

Таблица 2

Поиск безнейтринного двойного β-распада

Исследование безнейтринного двойного β-распада:

• один из наиболее чувствительных методов проверки закона сохранения лептонного числа L_e;
• позволяет получить информацию о природе массы нейтрино, абсолютную шкалу массы нейтрино;
• дает информацию о существовании правых токов в электрослабых взаимодействиях.

1. Ишханов Б.С.// Радиоактивность, Учебное пособие — Москва: Университетская книга, 2011, раздел 4 (http://nuclphys.sinp.msu.ru/radioactivity/ract04.htm)
2. http://femto.com.ua/articles/part_1/0920.html
3. ru.wikipedia.org/wiki/Двойной_бета-распад
4. ru.wikipedia.org/wiki/Майорановский_фермион
5. Шершаков В.В. «Двойной бета-распад», реферат − МГУ им. М.В. Ломоносова, кафедра общей ядерной физики.
6. ru.wikipedia.org/wiki/Нейтрино
7. Нейтрино − не фермион Майораны: Неуловимый безнейтринный двойной бета-распад // Популярная механика, 18 июля 2013
8. Нобелевская премия за осцилляции нейтрино: что это и почему это важно? // Популярная механика, 6 октября 2015
9. Пресс-релиз Нобелевского комитета 2015
10. Вскоре стартует эксперимент по проверке гипотезы о майорановской природе нейтрино
11. Проект Majorana Demonstrator: запущен первый блок германиевых детекторов нейтрино
12. Нейтрино могут стать последней каплей для Стандартной модели