Нейтрино — это, возможно, самые многочисленные и самые таинственные частицы барионной материи. Учёные до сих пор не смогли определить их невероятно малую массу и точно выяснить, существует ли у нейтрино античастица. Новое исследование нацелено на ответы на эти вопросы.
Нейтрино — это распространенные и трудноуловимые элементарные частицы, входящие в Стандартную модель физики. Исследование их характеристик помогает создавать более точные модели формирования Вселенной, эволюции звезд и основных взаимодействий между частицами. Среди нерешенных вопросов — абсолютная масса нейтрино и вопрос о существовании антинейтрино, или являются ли они своеобразной частицей 2 в 1.
Согласно стандартной модели физики элементарных частиц, нейтрино способны лишь на слабые взаимодействия с другими частицами, что усложняет измерение их характеристик. Установлено, что нейтрино имеют массу, хотя её точное значение неизвестно, известны только верхние границы. Масса нейтрино может быть определена на основании профиля электронного спектра бета-распада или путем измерения периода полураспада редкого режима двойного бета-распада без нейтрино (0νββ). Наблюдение распада 0νββ может продемонстрировать, что нейтрино является античастицей по отношению к самому себе и укажет на механизм, который придаёт нейтрино массу.
Для определения пригодности потенциального распада для будущего эксперимента, выходящего за пределы Стандартной модели, необходимо точно знать энергию, выделяющуюся при бета- или двойном бета-распаде (значение Q). В своей диссертационной работе Юуни Руотсалайнен определил значения Q для двух ядер, распадающихся двойным бета-распадом, и одного ядра, распадающегося простым бета-распадом.
В исследовании впервые были непосредственно измерены значения ββ-распада рутения-104 и олова-122 (104Ru и 122Sn). Измерения проводились методом ионно-циклотронного резонанса с фазовой визуализацией на установке двойной ловушки Пеннинга JYFLTRAP, расположенной на установке Ion-Guide Isotope Separator On-Line (IGISOL) в лаборатории ускорителей Университета Ювяскюля.
Были измерены значения Q, которые составили Qββ(104Ru) = 1297,705(36) кэВ и Qββ(122Sn) = 373,58(12) кэВ. Периоды полураспада 0ν-мод были рассчитаны в сотрудничестве с группой теории атомного ядра Университета Ювяскюля и составили t0ββ 1/2(104Ru) ≥ 5,449×1026 и t0ββ 1/2(122Sn) ≥ 1,51 × 1027 лет. Такие сроки исключают возможность полноценного наблюдения. В итоге был выбран компромиссный вариант — реакция изомера серебра-110 с превращением в кадмий-110 с относительно коротким периодом полураспада.
Значение (Q < 1 кэВ) при переходе от изомерного состояния 6+m в 110Ag к состоянию 5+2 в 110Cd было определено путем объединения известных спектроскопических данных с измерением разности масс 110Cd и 110Ag, выполненным с использованием метода PI-ICR в ловушке Пеннинга. Сверхнизкое значение Q было подтверждено при Q∗β,m(110Ag) = 405(135) эВ. Таким образом, форма спектра проявляет повышенную чувствительность к массе нейтрино.
Частичный период полураспада был рассчитан как t1/2 = 2,23 × 107 лет, что меньше, чем для большинства других известных примеров бета-распада со сверхнизким значением Q. Поскольку изомер 6+ в 110Ag также может быть легко получен путем захвата тепловых нейтронов, этот распад является отличным кандидатом для будущего измерения массы нейтрино.
Защита диссертации молодого финского учёного запланирована на 10 октября.