[论文解读] 75 years of double beta decay: yesterday, today and tomorrow

A. S. Barabash|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2011

Neutrino Physics Research被引用 7

一句话总结

本综述总结了过去75年双贝塔衰变的研究进展，涵盖理论基础、实验里程碑以及探测无中微子双贝塔衰变（0νββ）的未来前景。综述总结了在10种同素中观测到两中微子双贝塔衰变，对有效马约拉纳中微子质量与马约拉隆耦合给出了保守上限：⟨mν⟩ < 0.75 eV 和 ⟨gEE⟩ < 1.9×10⁻⁴，并预测下一代实验将实现对中微子质量在0.01–0.1 eV量级的探测灵敏度。

ABSTRACT

In this report I will briefly review the motivation and history of double beta decay search since the first consideration of two neutrino process (2$β(2ν)$) by Maria Goeppert-Mayer in 1935. The first experiments on search for double beta decay in the late of 1940's and beginning of 1950's are considered. It is underlined that for the first time the 2$β(2ν)$ decay has been registered in geochemical experiment with $^{130}$Te in 1950. In direct (counter) experiment this type of decay for the first time has been registered in $^{82}$Se by Michael Moe's group in 1987. Now two neutrino double beta decay has been recorded for 10 nuclei ($^{48}$Ca, $^{76}$Ge, $^{82}$Se, $^{96}$Zr, $^{100}$Mo, $^{116}$Cd, $^{128}$Te, $^{130}$Te, $^{150}$Nd, $^{238}$U). In addition, the 2$β(2ν)$ decay of $^{100}$Mo and $^{150}$Nd to the 0$^+_1$ excited state of the daughter nucleus has been observed and the ECEC(2$ν$) process in $^{130}$Ba was observed too. As to neutrinoless double beta decay (2$β(0ν)$) this process has not yet been registered. In the review results of the most sensitive experiments (Heidelberg-Moscow, IGEX, CUORICINO, NEMO-3) are discussed and conservative upper limits on effective Majorana neutrino mass and the coupling constant of the Majoron to the neutrino are established as $\langle m_ν angle &lt; 0.75$ eV and $\langle g_{ee} angle &lt; 1.9 \cdot 10^{-4}$, respectively. The next-generation experiments, where the mass of the isotopes being studied will be as grand as 100 to 1000 kg, are discussed. These experiments will have started within a few years. In all probability, they will make it possible to reach the sensitivity to the neutrino mass at a level of 0.01 to 0.1 eV.

研究动机与目标

• 回顾自1935年以来双贝塔衰变实验的历史发展与当前状态。
• 总结在10种同素中对两中微子双贝塔衰变的实验观测结果，以及尚未观测到无中微子双贝塔衰变的事实。
• 呈现现有实验对有效马约拉纳中微子质量与马约拉隆耦合的最严格实验限制。
• 预测下一代实验对中微子质量尺度的探测灵敏度，目标为0.01–0.1 eV。
• 强调双贝塔衰变在探测标准模型之外的新物理中的作用，包括轻子数破坏与中微子质量起源。

提出的方法

• 系统性回顾1935年至2011年双贝塔衰变的理论与实验发展。
• 汇编并分析来自主要实验（包括海德堡-莫斯科、IGEX、CUORICINO与NEMO-3）的半衰期测量值与上限数据。
• 利用多个理论研究中的核矩阵元（NMEs）来解释实验结果并预测未来灵敏度。
• 基于同素质量、本底水平与曝光时间，利用[61, 62, 63, 64, 66, 67]中的NMEs，对下一代实验的灵敏度进行预测。
• 比较不同同素与谱指数（n = 2, 3, 7）下0νββ衰变与马约拉隆发射模式的实验限制。
• 评估地球化学与直接计数实验，以确立1950年在130Te中首次探测到2νββ衰变，以及1987年在82Se中首次实现直接观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同同素中，两中微子双贝塔衰变的当前探测状态如何？
• RQ2 对无中微子双贝塔衰变与有效马约拉纳中微子质量的最严格实验限制是什么？
• RQ3 实验结果如何约束马约拉隆与中微子之间的耦合？
• RQ4 下一代双贝塔衰变实验对中微子质量尺度的预测灵敏度如何？
• RQ5 0νββ衰变的观测与标准模型之外的基本物理有何关联？

主要发现

• 两中微子双贝塔衰变已在10种同素中被实验观测到：48Ca、76Ge、82Se、96Zr、100Mo、116Cd、128Te、130Te、150Nd与238U。
• 100Mo与150Nd的2νββ衰变至子核的0⁺₁激发态已被观测到，130Ba的ECEC(2ν)过程也已探测到。
• 对有效马约拉纳中微子质量的最保守上限为⟨mν⟩ < 0.75 eV，该结果基于海德堡-莫斯科、IGEX、CUORICINO与NEMO-3实验的综合结果。
• 对普通马约拉隆与中微子耦合常数的上限为⟨gEE⟩ < 1.9×10⁻⁴（90%置信水平）。
• 下一代实验如GERDA、MAJORANA、EXO-200、CUORE、KamLAND-Xe、SuperNEMO与SNO+预计将在数年内实现对中微子质量在0.01–0.1 eV量级的探测灵敏度。
• 1987年，Moe团队首次在82Se中直接观测到2νββ衰变；而1950年在130Te中首次通过地球化学方法实现探测。