Forskare från Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) Laboratory vid Michigan State University (MSU) har tagit ett stort steg mot en teoretisk beskrivning av de första principerna av neutrinolöst dubbelbeta-förfall. Att observera denna ännu obekräftade sällsynta kärnprocess skulle få viktiga konsekvenser för partikelfysik och kosmologi. Teoretiska simuleringar är väsentliga för att planera och utvärdera föreslagna experiment. Forskargruppen presenterade sina resultat i en artikel som nyligen publicerades i Fysiska granskningsbrev .

FRIB teoretiker Jiangming Yao, forskarassistent och huvudförfattare till studien, Roland Wirth, forskningsassistent, och Heiko Hergert, assisterande professor, är medlemmar i ett aktuellt samarbete om fundamentala symmetrier och neutrinolöst dubbelbeta-sönderfall. U.S.A. Department of Energy Office of Science Office of Nuclear Physics finansierar det aktuella samarbetet. Teoretikerna gick samman med andra aktuella samarbetsmedlemmar från University of North Carolina-Chapel Hill och externa medarbetare från Universidad Autonoma de Madrid, Spanien. Deras arbete markerar en viktig milstolpe mot en teoretisk beräkning av neutrinolösa dubbelbeta-sönderfallshastigheter med helt kontrollerade och kvantifierade osäkerheter.

Författarna utvecklade In-Medium Generator-Coordinate Method (IM-GCM). Det är ett nytt tillvägagångssätt för att modellera interaktionerna mellan nukleoner som kan beskriva den komplexa strukturen hos kandidatkärnorna för detta sönderfall. Den första tillämpningen av IM-GCM på beräkningen av den neutrinolösa dubbla beta-sönderfallshastigheten för kärnan av kalcium-48 sätter scenen för utforskningar av de andra kandidaterna med kontrollerbar teoretisk osäkerhet.

I neutrinolöst dubbelbeta-sönderfall, två protoner omvandlas samtidigt till neutroner utan att sända ut de två neutrinon som uppträder i mer typiska svaga interaktionsprocesser. Om det finns, detta är ett extremt sällsynt sönderfall som förväntas ha en halveringstid på mer än 10 septiljoner år (en 1 med 25 nollor), vilket betyder att hälften av ett prov av kärnor skulle ha genomgått neutrinolöst dubbel beta-sönderfall under denna extremt långa period.

Dess observation skulle visa att neutriner är deras egna antipartiklar. Varje subatomär partikel har en motsvarande antipartikel, som har samma massa men en lika och motsatt laddning. Partiklar och antipartiklar kan förinta varandra, lämnar bara energi. Därav, inga neutriner skulle observeras vid neutrinolöst dubbelbeta-sönderfall. En observation av neutrinolös dubbelbeta-sönderfall skulle visa att en grundläggande lag – bevarandet av leptontal – kränks i naturen. Detta kan hjälpa till att förklara varför universum innehåller mer materia än antimateria, som består av de tidigare nämnda antipartiklarna. Observationen skulle också rikta ansträngningar för att slutföra standardmodellen för partikelfysik.

"Frånvaron av neutriner i detta ännu obekräftade sönderfall gör det möjligt att bestämma neutrinomassorna, ", sa Hergert. "Dessa massor är en viktig parameter i modeller av universums utveckling. Den teoretiska sönderfallshastigheten är en nyckelingrediens i utvinningen av neutrinomassorna från den uppmätta livslängden, eller åtminstone ger nya övre gränser för dessa kvantiteter."

Teoretiska beräkningar som de som presenteras av författarna kommer också att hjälpa till att bestämma storleken på de detektorer som behövs för storskaliga neutrinolösa dubbelbeta-sönderfallsexperiment.

Att utveckla och implementera tester av fundamentala symmetrier är en viktig del av FRIB:s uppdrag. FRIB-experiment utforskar strukturen hos neutrinolösa dubbelbeta-sönderfallskandidater och deras närliggande isotoper, vilket påverkar den hastighet med vilken sönderfallet kan inträffa. De teoretiska metoder som utvecklats för denna studie kan nu tillämpas på andra kärnor med komplexa strukturer som studeras vid FRIB.