[论文解读] Double charge exchange ($^{11}$B,$^{11}$Li) reaction for double beta decay response

K. Takahisa, H. Ejiri+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2017

Nuclear physics research studies被引用 8

一句话总结

本研究在80 MeV/A能量下探究$^{11}$B($^{11}$Li)双电荷交换反应（DCER），以探测与无中微子双贝塔衰变（DBD）相关的自旋-同位旋响应。实验揭示了在高激发区域，特别是$^{56}$Fe中存在强烈的DBD强度集中，而低于5 MeV的低激发强度可忽略不计，表明DCER是研究DBD矩阵元的可行工具。

ABSTRACT

The ($^{11}$B,$^{11}$Li) double charge-exchange reaction (DCER) at $E(^{11}$B)/$A$=80 MeV was measured for the first time to demonstrate the feasibility of the reaction for studying neutrino nuclear responses for double beta decays (DBD). The $^{13}$C($^{11}$B,$^{11}$Li)$^{13}$O reaction shows strengths at the ground state and low and high excitation giant resonance regions. The $^{56}$Fe ($^{11}$B,$^{11}$Li) $^{56}$Ni reaction shows the large strengths in the possible double giant resonance region and beyond, but shows no strengths in the low excitation region below 5 MeV, suggesting strong concentration of the DBD strength at the high excitation region. The DCER is used to evaluate the spin isospin strengths relevant to DBD responses.

研究动机与目标

• 评估$^{11}$B($^{11}$Li)双电荷交换反应（DCER）作为双贝塔衰变（DBD）核矩阵元探针的可行性。
• 测量与DBD响应相关的$^{13}$C和$^{56}$Fe中的自旋-同位旋跃迁强度。
• 研究DBD强度在激发能区域（尤其是巨共振和高激发区域）的分布情况。
• 确定DCER是否能选择性地探测高激发DBD相关跃迁，同时抑制低激发背景态。
• 通过测量相关核中的响应函数，为双贝塔衰变的理论模型提供实验基准。

提出的方法

• 使用80 MeV/A的$^{11}$B束流轰击$^{13}$C和$^{56}$Fe靶，诱导双电荷交换反应。
• 利用高分辨率磁谱仪测量$^{11}$B($^{11}$Li)反应产物，以识别末态激发。
• 分析激发能谱，提取基态和巨共振区域的跃迁强度。
• 将$^{13}$C和$^{56}$Fe中观测到的强度分布进行比较，识别DBD响应集中的模式。
• 利用测量得到的自旋-同位旋强度分布，推断DCER在探测DBD矩阵元方面的相关性。
• 重点识别在低激发态（低于5 MeV）和高激发区域（双巨共振峰之后）是否存在强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 $^{11}$B($^{11}$Li)双电荷交换反应能否有效探测与无中微子双贝塔衰变相关的自旋-同位旋矩阵元？
• RQ2 在$^{56}$Fe的激发谱中，双贝塔衰变响应的主要强度分布在何处？
• RQ3 DCER反应在低激发区域（<5 MeV）是否表现出显著强度，可能干扰或掩盖DBD信号？
• RQ4 $^{13}$C和$^{56}$Fe中的测量跃迁强度与DBD响应的理论预测相比如何？
• RQ5 DCER在多大程度上选择性地探测到DBD矩阵元占主导地位的高激发区域？

主要发现

• $^{13}$C($^{11}$B,$^{11}$Li)$^{13}$O反应在基态以及低激发和高激发巨共振区域均表现出可测量的强度。
• $^{56}$Fe($^{11}$B,$^{11}$Li)$^{56}$Ni反应在高激发区域表现出大的跃迁强度，特别是在双巨共振区域及其之后。
• 在$^{56}$Fe反应中，低于5 MeV激发能的区域未观测到显著强度，表明低激发跃迁受到强烈抑制。
• DBD强度在高激发区域的集中表明，DCER选择性地探测了DBD矩阵元的主要成分。
• 低激发区域强度的缺失支持DCER作为高激发DBD响应的清晰探针，有效减少了低激发态的污染。
• 结果验证了$^{11}$B($^{11}$Li) DCER作为测量与双贝塔衰变相关自旋-同位旋响应的可行实验工具。