Double désintégration bêta sans neutrinos - Neutrinoless double beta decay

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v t e

La double désintégration bêta sans neutrino (0νββ) est un processus théorique de désintégration radioactive théorique couramment proposé et poursuivi expérimentalement qui prouverait une nature de Majorana de la particule de neutrino . A ce jour, il n'a pas été retrouvé.

La découverte de la double désintégration bêta sans neutrinos pourrait faire la lumière sur les masses absolues des neutrinos et sur leur hiérarchie de masse ( Neutrino mass ). Cela signifierait le tout premier signal de violation de la conservation du nombre total de leptons . Une nature Majorana des neutrinos confirmerait que la propre antiparticule du neutrino n'est pas différente de lui-même, c'est-à-dire qu'elle est sa propre antiparticule.

Pour rechercher une double désintégration bêta sans neutrinos, un certain nombre d'expériences sont actuellement en cours, et plusieurs expériences futures pour une sensibilité accrue sont également proposées.

Développement historique de la discussion théorique

En 1939, Wendell H. Furry a proposé l'idée de la nature Majorana du neutrino, qui était associée aux désintégrations bêta. Furry a déclaré que la probabilité de transition était encore plus élevée pour le neutrino moins la double désintégration bêta. C'était la première idée proposée pour rechercher la violation de la conservation du nombre de leptons. Il a, depuis lors, attiré l'attention sur lui pour son utilité pour l'étude de la nature des neutrinos (voir citation).

[L]e mode 0ν [...] qui viole le nombre de leptons et est reconnu depuis longtemps comme un outil puissant pour tester les propriétés des neutrinos.
— Oliviero Cremonesi

Le physicien italien Ettore Majorana a d' abord introduit le concept d'une particule étant sa propre antiparticule. La nature des particules a ensuite été nommée d'après lui sous le nom de particules de Majorana. La double désintégration bêta sans neutrinos est une méthode pour rechercher la nature Majorana possible des neutrinos.

Ettore Majorana, le premier à introduire l'idée que les particules et les antiparticules sont identiques.

Pertinence physique

Double désintégration bêta conventionnelle

Les neutrinos sont traditionnellement produits dans des désintégrations faibles. La faiblesse des désintégrations bêta produisent normalement un électron (ou positrons ), émettre un antineutrino (ou neutrino) et augmenter le noyau « nombre de protons par celui- ci. La masse du noyau (c'est-à-dire l'énergie de liaison ) est alors plus faible et donc plus favorable. Il existe un certain nombre d'éléments qui peuvent se désintégrer en un noyau de masse inférieure, mais ils ne peuvent émettre un électron uniquement parce que le noyau résultant est cinématiquement (c'est-à-dire en termes d'énergie) défavorable (son énergie serait plus élevée). Ces noyaux ne peuvent se désintégrer qu'en émettant deux électrons (c'est-à-dire via la double désintégration bêta ). Il existe environ une douzaine de cas confirmés de noyaux qui ne peuvent se désintégrer que par double désintégration bêta. L'équation de décroissance correspondante est : ${\style d'affichage Z}$

${\style d'affichage (A,Z)\rightarrow (A,Z+2)+2e^{-}+2{\bar {\nu }}_{e}}$.

C'est un processus faible de second ordre. Une désintégration simultanée de deux nucléons dans le même noyau est extrêmement improbable. Ainsi, les durées de vie observées expérimentalement de tels processus de désintégration sont de l'ordre de plusieurs années. Un certain nombre d' isotopes ont déjà été observés pour montrer cette double désintégration bêta à deux neutrinos. ${\style d'affichage 10^{18}-10^{21}}$

Cette double désintégration bêta conventionnelle est autorisée dans le modèle standard de la physique des particules . Elle a donc un fondement à la fois théorique et expérimental.

Aperçu

Diagramme de Feynman de la double désintégration bêta sans neutrinos. Ici, deux neutrons se désintègrent en deux protons et deux électrons, mais aucun neutrino n'est à l'état final. L'existence de ce mécanisme exigerait que les neutrinos soient des particules de Majorana.

Si la nature des neutrinos est Majorana, alors ils peuvent être émis et absorbés dans le même processus sans apparaître dans l'état final correspondant. En tant que particules de Dirac , les neutrinos produits par la désintégration des bosons W seraient émis, et non absorbés par la suite.

La double désintégration bêta sans neutrino ne peut se produire que si

• la particule neutrino est Majorana, et
• il existe une composante main droite du faible courant leptonique ou le neutrino peut changer sa chiralité entre l' émission et l' absorption (entre les deux sommets W), ce qui est possible pour une masse de neutrino non nul (pour au moins l' une des espèces de neutrinos ).

Le processus de désintégration le plus simple est connu sous le nom d'échange de neutrinos légers. Il comporte un neutrino émis par un nucléon et absorbé par un autre nucléon (voir figure à droite). Dans l'état final, les seules parties restantes sont le noyau (avec son nombre de protons modifié ) et deux électrons : ${\style d'affichage Z}$

${\style d'affichage (A,Z)\rightarrow (A,Z+2)+2e^{-}}$

Les deux électrons sont émis quasi simultanément.

Les deux électrons résultants sont alors les seules particules émises dans l'état final et doivent porter approximativement la différence des sommes des énergies de liaison des deux noyaux avant et après le processus comme leur énergie cinétique. Les noyaux lourds ne portent pas d'énergie cinétique significative. Les électrons seront émis dos à dos en raison de la conservation de la quantité de mouvement .

Dans ce cas, le taux de décroissance peut être calculé avec

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

où désigne le facteur d' espace de phase , l' élément de matrice (au carré) de ce processus de désintégration nucléaire (selon le diagramme de Feynman) et le carré de la masse effective de Majorana. ${\displaystyle G^{0\nu }}$${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|^{2}}$${\displaystyle \langle m_{\beta \beta }\rangle ^{2}}$

Premièrement, la masse effective de Majorana peut être obtenue en

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

où sont les masses des neutrinos de Majorana (trois neutrinos ) et les éléments de la matrice de mélange des neutrinos (voir matrice PMNS ). Les expériences contemporaines pour trouver des désintégrations bêta doubles sans neutrinos (voir la section sur les expériences ) visent à la fois la preuve de la nature Majorana des neutrinos et la mesure de cette masse effective de Majorana (ne peut être effectuée que si la désintégration est réellement générée par les masses des neutrinos). ${\style d'affichage m_{i}}$${\style d'affichage \nu _{i}}$${\displaystyle U_{ei}}$${\style d'affichage U}$${\displaystyle \langle m_{\beta \beta }\rangle }$

L'élément de matrice nucléaire (NME) ne peut pas être mesuré indépendamment ; elle doit, mais peut aussi, être calculée. Le calcul lui-même repose sur des théories nucléaires sophistiquées à N corps et il existe différentes méthodes pour le faire. Le NME diffère également d'un noyau à l'autre (c'est-à-dire d'élément chimique à élément chimique). Aujourd'hui, le calcul du NME est un problème important et il a été traité par différents auteurs de différentes manières. Une question est de savoir s'il faut traiter la plage de valeurs obtenues comme l'incertitude théorique et s'il faut alors la comprendre comme une incertitude statistique . Différentes approches sont choisies ici. Les valeurs obtenues pour varient souvent par des facteurs de 2 jusqu'à environ 5. Les valeurs typiques se situent dans la plage d'environ 0,9 à 14, en fonction du noyau/élément en décomposition. ${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$${\displaystyle \left|M^{0\nu }\right|}$

Enfin, le facteur d'espace des phases doit également être calculé. Elle dépend de l'énergie cinétique totale libérée ( , c'est-à-dire " -valeur ") et du numéro atomique . Les méthodes utilisent des fonctions d'onde de Dirac , des tailles nucléaires finies et un filtrage électronique. Il existe des résultats de haute précision pour divers noyaux, allant d'environ 0,23 (pour ) et de 0,90 ( ) à environ 24,14 ( ). ${\displaystyle G^{0\nu }}$${\displaystyle Q=M_{\text{nucleus}}^{\text{before}}-M_{\text{nucleus}}^{\text{after}}-2m_{\text{electron}}}$${\style d'affichage Q}$${\style d'affichage Z}$ ${\displaystyle G^{0\nu }}$${\displaystyle \mathrm {^{128}_{52}Te\rightarrow _{54}^{128}Xe} }$${\displaystyle \mathrm {^{76}_{32}G\rightarrow _{34}^{76}Se} }$${\displaystyle \mathrm {^{150}_{60}Nd\rightarrow _{62}^{150}Sm} }$

On pense que, si la double désintégration bêta sans neutrinos est trouvée dans certaines conditions (taux de décroissance compatible avec les prédictions basées sur les connaissances expérimentales sur les masses et le mélange des neutrinos), cela indiquerait en effet « probablement » que les neutrinos de Majorana sont le principal médiateur (et non d'autres sources de la nouvelle physique). Il y a 35 noyaux qui peuvent subir une double désintégration bêta sans neutrinos (selon les conditions de désintégration susmentionnées).

Expériences et résultats

Neuf candidats différents de noyaux sont envisagés dans des expériences pour confirmer la double désintégration bêta sans neutrinos : . Ils ont tous des arguments pour et contre leur utilisation dans une expérience. Les facteurs à inclure et à réviser sont l'abondance naturelle , l'enrichissement à prix raisonnable et une technique expérimentale bien comprise et contrôlée. Plus la valeur est élevée , meilleures sont les chances de découverte, en principe. Le facteur d'espace de phase , et donc le taux de décroissance, croît avec . ${\displaystyle \mathrm {^{48}Ca,^{76}Ge,^{82}Se,^{96}Zr,^{100}Mo,^{116}Cd,^{130}Te,^{ 136}Xe,^{150}Nd} }$${\style d'affichage Q}$${\displaystyle G^{0\nu }}$${\displaystyle Q^{5}}$

Expérimentalement d'intérêt et donc mesuré est la somme des énergies cinétiques des deux électrons émis. Il doit être égal à la valeur du noyau respectif pour l'émission double bêta sans neutrinos. ${\style d'affichage Q}$

Le tableau présente un résumé des meilleures limites actuellement sur la durée de vie de 0νββ. De là, on peut déduire que la double désintégration bêta sans neutrinos est un processus extrêmement rare - voire pas du tout.

Limites expérimentales (au moins 90 % CL ) sur une collection d'isotopes pour le processus de désintégration 0νββ médié par le mécanisme des neutrinos légers, comme le montre le diagramme de Feynman ci-dessus.

Isotope	Expérience	durée de vie [années] ${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }}$
${\displaystyle \mathrm {^{48}Ca} }$	ÉLÉGANT-VI	${\displaystyle >1.4\cdot 10^{22}}$
${\displaystyle \mathrm {^{76}Ge} }$	Heidelberg-Moscou	${\displaystyle >1.9\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{76}Ge} }$	GERDA	${\displaystyle >2.1\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{82}Se} }$	NEMO -3	${\displaystyle >1.0\cdot 10^{23}}$
${\displaystyle \mathrm {^{96}Zr} }$	NEMO-3	${\displaystyle >9.2\cdot 10^{21}}$
${\displaystyle \mathrm {^{100}Mo} }$	NEMO-3	${\displaystyle >2.1\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{116}Cd} }$	Solotvina	${\displaystyle >1.7\cdot 10^{23}}$
${\displaystyle \mathrm {^{130}Te} }$	CUORE	${\displaystyle >3.2\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$	EXO	${\displaystyle >1.1\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$	KamLAND-Zen	${\displaystyle >2.6\cdot 10^{25}}$
${\displaystyle \mathrm {^{150}Nd} }$	NEMO-3	${\displaystyle >2.1\cdot 10^{25}}$

Collaboration Heidelberg-Moscou

La soi-disant « collaboration Heidelberg-Moscou » (HDM) du Max-Planck-Institut für Kernphysik allemand et du centre scientifique russe Kurchatov Institute à Moscou a prétendu avoir trouvé « des preuves de la double désintégration bêta sans neutrinos ». Initialement, en 2001, la collaboration a annoncé une preuve de 2,2 , ou 3,1 (selon la méthode de calcul utilisée). Le taux de décroissance s'est avéré être d'environ des années. Ce résultat a fait l'objet de discussions entre de nombreux scientifiques et auteurs. À ce jour, aucune autre expérience n'a jamais confirmé ou approuvé le résultat du groupe HDM. Au lieu de cela, les résultats récents de l'expérience GERDA pour la limite de durée de vie défavorisent et rejettent clairement les valeurs de la collaboration HDM. ${\displaystyle 2\cdot 10^{25}}$

La double désintégration bêta sans neutrinos n'a pas encore été trouvée.

Expériences de prise de données en cours

• Expérience GERDA (Germanium Detector Array) :
  • Le résultat de la collaboration GERDA de la phase I du détecteur est une limite d' années (90% CL). Il utilise le germanium à la fois comme matériau de source et de détecteur. L' argon liquide est utilisé pour le veto des muons et comme protection contre le rayonnement de fond. La valeur du germanium pour la désintégration 0νββ est de 2039 keV, mais aucun excès d'événements dans cette région n'a été trouvé. La phase II de l'expérience a commencé à prendre des données en 2015, et elle utilise environ 36 kg de germanium pour les détecteurs. L'exposition analysée jusqu'en juillet 2020 est de 10,8 kg an. Encore une fois, aucun signal n'a été trouvé et une nouvelle limite a donc été fixée à des années (90 % CL). Le détecteur est signalé comme fonctionnant comme prévu.${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.1\cdot 10^{25}}$${\style d'affichage Q}$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>5.3\cdot 10^{25}}$
• Expérience EXO (Enriched Xenon Observatory) :
  • L'expérience Enriched Xenon Observatory-200 utilise le xénon à la fois comme source et comme détecteur. L'expérience est située au Nouveau-Mexique (États-Unis) et utilise une chambre à projection temporelle (TPC) pour la résolution spatiale et temporelle tridimensionnelle des dépôts de traces d'électrons. L'expérience EXO-200 a donné des résultats moins sensibles que GERDA I et II avec une limite de durée de vie d' années (90 % CL).${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.1\cdot 10^{25}}$
• Expérience KamLAND -Zen (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector-Zen) :
  • L'expérience KamLAND-Zen a commencé en utilisant 13 tonnes de xénon comme source (enrichie d'environ 320 kg de ), contenus dans un ballon en nylon entouré d'un ballon externe à scintillateur liquide de 13 m de diamètre. À partir de 2011, KamLAND-Zen Phase I a commencé à collecter des données, ce qui a finalement conduit à fixer une limite de durée de vie pour la double désintégration bêta sans neutrinos d' années (90 % CL). Cette limite pourrait être améliorée en combinant avec les données de Phase II (prise de données commencée en décembre 2013) en années (90 % CL). Pour la phase II, la collaboration a surtout réussi à réduire la décroissance de , ce qui a perturbé les mesures dans la région d'intérêt pour la décroissance 0νββ de . En août 2018, KamLAND-Zen 800 a été achevé contenant 800 kg de . Il s'agirait désormais de l'expérience la plus grande et la plus sensible au monde pour rechercher la double désintégration bêta sans neutrinos.${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.9\cdot 10^{25}}$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.6\cdot 10^{25}}$${\displaystyle \mathrm {^{110m}Ag} }$${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$${\displaystyle \mathrm {^{136}Xe} }$

Expériences proposées/futures

• Expérience nEXO :
  • En tant que successeur de l'EXO-200, nEXO devrait être une expérience à l'échelle de la tonne et faire partie de la prochaine génération d'expériences 0νββ. Le matériau du détecteur est prévu pour peser environ 5 t, offrant une résolution d'énergie de 1% à la valeur - . L'expérience est prévue pour offrir une sensibilité à vie d'environ années après 10 ans de prise de données.${\style d'affichage Q}$${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>9.5\cdot 10^{27}}$

Voir également

• Double désintégration bêta
• Controverse Heidelberg-Moscou
• Double capture d'électrons sans neutrino

Les références