Диссертация (1145374), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Наустановке SHIPTRAP после её планируемой модернизации станут возможнымипрямые измерения нуклидов с протонными числами, достигающими Z=110.Таким образом, данные нуклиды станут якорными нуклидами в α−цепочкахдля определения масс сверхтяжёлых нуклидов.66Глава 4 Установка SHIPTRAP в режиме off-line. Поискрезонансного усиления безнейтринного ядерного двойногоэлектронного захватаПосле открытия нейтринных осцилляций семья частиц пополнилась новымчленом, обладающим массой, – нейтрино.
Осцилляционные экпериментыпродемонстрировали наличие и экстраординарную малость масс трёх активныхмассовых состояний нейтрино. Хотя подобные осцилляционные экпериментыне позволяют определить сами значения масс, сам факт наличия у нейтриномассы поднимает вопрос о том, являются ли нейтрино и антинейтрино разнымичастицами(частицыДирака/Dirac)илиидентичными(частицыМайорана/Majorana). Данный вопрос является одним из центральных внейтринной физике, так как тип нейтрино определяет механизм возникновенияу нейтрино малой, но тем не менее ненулевой массы.Наиболее удобным и в настоящее время возможно единственным методомопределения типа нейтрино является наблюдение безнейтринных двойныхбета-процессов. К ним относятся: (1) испускание ядром двух электронов(двойной бета-распад), (2) испускание ядром двух позитронов (двойнойпозитронный распад), (3) захват ядром электрона с атомной оболочки сиспусканием позитрона (электронно-позитронный распад) и (4) захват ядромдвух электронов с атомной оболочки (двойной электронный захват).Протекание данных безнейтринных процессов возможно только в том случае,если нейтрино являются частицами Майорана и нарушается закон сохраненияполного лептонного числа.
Так как эти процессы запрещены в СтандартнойМодели элементарных частиц, то их успешное наблюдение означало быналичие новой физики за пределами Стандартной Модели.Существование двойного бета-распада с испусканием двух нейтрино(двухнейтринный бета-распад) было впервые предсказано в [96]. Немногопозже в [97, 98] была рассмотрена возможность двойного бета-распада без67испускания двух нейтрино при условии, что нейтрино являются частицамиМайорана.
Данные теоретические работы послужили спусковым крючком дляначала исследования двойного бета-распада. В работе [99] приводитсяподробный обзор истории и современного состояния данных исследований.Двойной бета-распад является очень маловероятным процессом. Ожидается,что время жизни нуклидов, испытывающих двойной бета-распад, на многопорядков величины превышает время жизни Вселенной.
Двухнейтринный бетараспад уже неоднократно наблюдался в чётно-чётных нуклидах. Более того, дляодинадцати нуклидов были измерены их периоды полураспада (самое короткое,7.1·1018 лет, у двухнейтринного бета-распадалет, у двухнейтринного бета-распадаMo, а самое длинное, 1.9·1024100Te) [100]. Тем не менее, его128безнейтринная мода, которая способна пролить свет на массу и тип нейтрино,ещё экспериментально не обнаружена.Запоследниедесятилетиябылопредложенооколодвадцатикрупномасштабных проектов по поиску безнейтринного двойного бета-распада[101]. Тот факт, что все усилия брошены на поиск именно безнейтринной моды,объясняется тем, что среди всех вышеупомянутых безнейтринных процессовбезнейтринный двойной бета-распад является наиболее вероятным.
В данныхэкспериментахисследуетсясуммарныйэнергетическийспектрдвухиспущенных электронов. Критерием существования безнейтринного двойногобета-распада является наличие в спектре моноэнергетического пика с энергией,соответствующей Q-значению процесса. К сожалению, данный пик приходитсяискатьнафоненепрерывногоспектрагораздоболеевероятногодвухнейтринного двойного бета-распада.Уникальностьисложностьданныхэкспериментовобуславливаютсятребуемой экстраординарной чувствительностью и селективностью этихэкспериментов кбезнейтринному двойному бета-распаду, чьё ожидаемоеколичество распадов не превышает нескольких событий в год в одной тоннераспадающегося вещества.
Это приводит к необходимости создания огромныхдетекторов электронов, содержащих несколько тонн такого вещества. В то же68время, наличие таких объёмов вещества часто приводит к недопустимовысокому фону как от космических лучей, так и от распада естественныхпримесных радиоактивных веществ, содержащихся в детекторе. Данный фонсущественно понижает чувствительность и селективность эксперимента. Длятого, чтобы уменьшить фон от космических лучей, эксперименты приходитсяпроводить глубоко под землёй.Рисунок 4.1 демонстрирует впечатляющийпрогресс, достигнутый за семьдесят лет в увеличении чувствительностиэкспериментов по поиску безнейтринного двойного бета-распада.
С сороковыхгодов прошлого века до наших дней чувствительность повысилась на десятьпорядков величины [102]. В обозримом будущем предполагается достигнутьчувствительности порядка 1026 лет, т.е., другими словами, можно будетизмерить период полураспада на уровне 1026 лет. Данная чувствительностьпозволит определить такой важный параметр процесса, как эффективнаямайорановская масса, в диапазоне 0.06 – 0.26 эВ в зависимости от исследуемогобета-перехода.Рис. 4.1: Прогресс, достигнутый за семьдесят лет в увеличениичувствительности экспериментов по поиску безнейтринного двойного бетараспада [102]. Синими кружками обозначены экспериментальные точки.Красным кружком обозначена ожидаемая чувствительность планируемыхэкспериментов следующего поколения.69Ксожалению,существеннопопыткипревышающихповысить1026лет,чувствительностьстолкнутсясдозначений,необходимостьюсущественно увеличить размеры детектора и, как следствие, приведут к оченьвысоким затратам на развитие проектов, а также к возникновениюдополнительных технических трудностей.
Несмотря на то, что в проектахследующего поколения планируется задействовать тонны и в некоторыхслучаях даже десятки тонн распадающегося вещества, это вряд ли поможетсущественно повысить чувствительность экспериментов. Причина этогокроется в том, что из-за наличия фона чувствительность эксперимента не прямопропорциональна произведению массы распадающегося вещества и времениизмерения (как можно интуитивно предположить), а пропорциональна толькоквадратному корню произведения упомянутых величин [101]. В работе [99]утверждается, что только дальнейшее увеличение размеров существующихэкспериментов по поиску безнейтринного бета-распада вряд ли позволитдостигнуть чувствительностей много выше, чем1027 лет.
Таким образом,возникает потребность в альтернативных путях определения типа нейтрино.Такой альтернативой мог бы стать процесс обратный бета-распаду, а именнодвойной электронный захват. Вероятность одновременного захвата ядром двухорбитальных электронов имеет гораздо более слабую зависимость от Qзначения процесса, чем в случае двойного бета-распада [103], и поэтомудвойной электронный захват, как ожидалось, гораздо менее вероятен, чемдвойной бета-распад для типичных Q-значений порядка нескольких МэВ,характерных для подобных двойных бета процессов.Двойной электронный захват вошёл в науку в 1955 году, через 20 лет послепредсказаниясуществованиядвойногобета-распада.Теориядвойногоэлектронного захвата была сформулирована в работе [104].
В работах [105] и[106] была высказана возможность резонансного усиления вероятности данногопроцесса в случае, если массы материнского атома и возбуждённого состояния70дочернего атома равны. Тем не менее было подчёркнуто, что существованиетакого резонансно усиленного процесса крайне маловероятно. Количественныйанализ описаниядвойного электронного захвата с выводом формулы длявероятности процесса был проведён в работе [107] на основе представлениядвойного электронного захвата, как процесса виртуального смешиванияматеринского атома и дочернего атома с двумя дырками в электроннойоболочке.
Так, в данной работе на примере безнейтринного двойногоэлектронного захвата в атомеSn с заполнением в112Cd ядерного112возбуждённого уровня с энергией 1831 кэВ (0+ → 0+ переход) делаетсязаключение, что в случае выполнения условий резонансного усилениявероятность безнейтринного двойного электронного захвата может увеличитьсяна несколько порядков. Хотя известна дюжина нуклидов, которые могутиспытывать безнейтринный двойной электронный захват (0ν2EC-переходы)[108], выбор наиболее подходящего 0ν2EC-перехода для поиска данногопроцесса до последнего времени затруднялся недостаточно точным знанием Qзначений данных 0ν2EC-переходов.Существенный прогресс, достигнутый за последнее десятилетие в областивысокопрецизионной масс-спектрометрии на основе ловушек Пеннинга [109,110], наконец сделал возможным измерение разницы масс двух нуклидов сдостаточной точностью и, таким образом, положил начало экспериментам попоиску резонансно усиленных 0ν2EC-переходов, которые бы в будущем моглибыть использованы для поиска безнейтринного двойного электронного захвата.Дальнейший материал в данной главе посвящён обзору результатов поискарезонансно усиленных 0ν2EC-переходов с помощью прямых измеренийатомных масс материнских и дочерних нуклидов всех представляющих интерес0ν2EC-переходов.
Данная программа была выполнена на установке SHIPTRAPв её варианте “вне пучка“ под руководством автора данной диссертации.714.1 Краткое изложение теории двойного электронного захватаОдновременный захват ядром двух орбитальных электронов являетсяпроцессом второго порядка в теории слабого взаимодействия. Вероятностьданного процесса пропорциональна константе Ферми в четвёртой степени 4 .Двойной электронный захват может протекать как с испусканием двухнейтрино, так и быть безнейтринным. Конкретные нуклиды могут испытыватьдвойной электронный захват, если в них по энергетическим причинамневозможен захват одного электрона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
