Теоретики FRIB Цзянмин Яо, научный сотрудник и ведущий автор исследования, Роланд Вирт, научный сотрудник, и Хайко Хергерт, доцент, являются членами актуального сотрудничества по фундаментальным симметриям и безнейтринному двойному бета-распаду. U.S. Управление ядерной физики Министерства энергетики США финансирует тематическое сотрудничество. Теоретики объединили свои усилия с другими участниками тематического сотрудничества из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл и внешними сотрудниками из Автономного университета Мадрида, Испания.
Их работа знаменует собой важную веху на пути к теоретическому расчету скоростей безнейтринного двойного бета-распада с полностью контролируемыми и количественными неопределенностями.
Авторы разработали метод координат генератора в среде (IM-GCM). Это новый подход к моделированию взаимодействий между нуклонами, способный описать сложную структуру ядер-кандидатов для этого распада.
Первое применение IM-GCM для расчета скорости безнейтринного двойного бета-распада ядра кальция-48 создает основу для исследований других кандидатов с контролируемой теоретической неопределенностью.
В безнейтринном двойном бета-распаде два протона одновременно превращаются в нейтроны без испускания двух нейтрино, которые появляются в более типичных процессах слабого взаимодействия. Если он существует, то это чрезвычайно редкий распад, период полураспада которого, как ожидается, будет превышать 10 септиллионов лет (1 с 25 нулями), что означает, что половина образца ядер подверглась бы безнейтринному двойному бета-распаду в этот чрезвычайно долгий период.
Его наблюдение продемонстрировало бы, что нейтрино сами по себе античастицы. Каждая субатомная частица имеет соответствующую античастицу, которая имеет ту же массу, но равный и противоположный заряд. Частицы и античастицы могут аннигилировать друг с другом, оставляя только энергию. Следовательно, в безнейтринном двойном бета-распаде нейтрино не наблюдалось бы.
Наблюдение за безнейтринным двойным бета-распадом показало бы, что фундаментальный закон – сохранение лептонного числа – нарушается в природе. Это могло бы помочь объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антивещества, которое состоит из вышеупомянутых античастиц.
Это наблюдение также направит усилия на завершение Стандартной модели физики элементарных частиц.
«Отсутствие нейтрино в этом еще неподтвержденном распаде позволяет определить массы нейтрино», – сказал Хергерт. "Эти массы являются важным параметром в моделях эволюции Вселенной.
Теоретическая скорость распада является ключевым ингредиентом при извлечении масс нейтрино из измеренного времени жизни или, по крайней мере, обеспечивает новые верхние пределы этих величин."
Теоретические расчеты, подобные представленным авторами, также помогут определить размер детекторов, необходимых для крупномасштабных экспериментов с безнейтринным двойным бета-распадом.
Разработка и внедрение тестов фундаментальной симметрии – важный элемент миссии FRIB.
Эксперименты FRIB исследуют структуру безнейтринных кандидатов двойного бета-распада и соседних с ними изотопов, которая влияет на скорость, с которой может происходить распад. Теоретические методы, разработанные для этого исследования, теперь могут быть применены к другим ядрам со сложной структурой, которые изучаются в FRIB.