Forskere udvikler en ny tilgang til modellering af endnu ubekræftet sjælden nuklear proces

Forskere fra Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) Laboratory ved Michigan State University (MSU) har taget et stort skridt i retning af en teoretisk beskrivelse af de første principper af neutrinoløst dobbelt-beta-henfald. At observere denne endnu ubekræftede sjældne nukleare proces ville have vigtige konsekvenser for partikelfysik og kosmologi. Teoretiske simuleringer er afgørende for planlægning og evaluering af foreslåede eksperimenter. Forskerholdet præsenterede deres resultater i en artikel for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

FRIB teoretikere Jiangming Yao, forskningsmedarbejder og hovedforfatter af undersøgelsen, Roland Wirth, forskningsmedarbejder, og Heiko Hergert, Assisterende professor, er medlemmer af et aktuelt samarbejde om fundamentale symmetrier og neutrinoløst dobbelt-beta-henfald. U.S. Department of Energy Office of Science Office of Nuclear Physics finansierer det aktuelle samarbejde. Teoretikerne gik sammen med andre aktuelle samarbejdsmedlemmer fra University of North Carolina-Chapel Hill og eksterne samarbejdspartnere fra Universidad Autonoma de Madrid, Spanien. Deres arbejde markerer en vigtig milepæl i retning af en teoretisk beregning af neutrinoløse dobbelt-beta-henfaldshastigheder med fuldt kontrollerede og kvantificerede usikkerheder.

Forfatterne udviklede In-Medium Generator-Coordinate Method (IM-GCM). Det er en ny tilgang til modellering af interaktionerne mellem nukleoner, der er i stand til at beskrive den komplekse struktur af kandidatkernerne til dette henfald. Den første anvendelse af IM-GCM til beregningen af ​​den neutrinoløse dobbelte beta-henfaldshastighed for kernen af ​​calcium-48 sætter scenen for udforskninger af de andre kandidater med kontrollerbar teoretisk usikkerhed.

I neutrinoløst dobbelt-beta-henfald, to protoner omdannes samtidigt til neutroner uden at udsende de to neutrinoer, der optræder i mere typiske svag-interaktionsprocesser. Hvis det findes, dette er et ekstremt sjældent henfald, der forventes at have en halveringstid på mere end 10 septillioner år (en 1 med 25 nuller), hvilket betyder, at halvdelen af ​​en prøve af kerner ville have gennemgået neutrinoløst dobbelt beta-henfald i denne ekstremt lange periode.

Dens observation ville vise, at neutrinoer er deres egne antipartikler. Hver subatomare partikel har en tilsvarende antipartikel, som har samme masse men en lige og modsat ladning. Partikler og antipartikler kan udslette hinanden, efterlader kun energi. Derfor, ingen neutrinoer ville blive observeret i neutrinoløst dobbelt-beta-henfald. En neutrinoløs dobbelt-beta-henfaldsobservation ville vise, at en grundlæggende lov – bevarelsen af ​​leptontal – er overtrådt i naturen. Dette kunne hjælpe med at forklare, hvorfor universet indeholder mere stof end antistof, som består af de førnævnte antipartikler. Observationen ville også lede bestræbelserne på at færdiggøre standardmodellen for partikelfysik.

"Fraværet af neutrinoer i dette endnu ubekræftede henfald gør det muligt at bestemme neutrinomasserne, " sagde Hergert. "Disse masser er en vigtig parameter i modeller af universets udvikling. Den teoretiske henfaldshastighed er en nøgleingrediens i udvindingen af ​​neutrinomasserne fra den målte levetid, eller i det mindste giver nye øvre grænser for disse mængder."

Teoretiske beregninger som dem, der er præsenteret af forfatterne, vil også hjælpe med at bestemme størrelsen af ​​de detektorer, der er nødvendige for store neutrinoløse dobbelt-beta-henfaldseksperimenter.

Udvikling og implementering af test af fundamentale symmetrier er et vigtigt element i FRIB's mission. FRIB-eksperimenter udforsker strukturen af ​​neutrinoløse dobbelt beta-henfaldskandidater og deres naboisotoper, hvilket påvirker den hastighed, hvormed henfaldet kan forekomme. De teoretiske metoder, der er udviklet til denne undersøgelse, kan nu anvendes på andre kerner med komplekse strukturer, som studeres på FRIB.