Onderzoekers van het Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) Laboratory aan de Michigan State University (MSU) hebben een grote stap gezet in de richting van een theoretische eerste-principebeschrijving van neutrinoloos dubbel-bèta-verval. Het observeren van dit nog onbevestigde zeldzame nucleaire proces zou belangrijke implicaties hebben voor de deeltjesfysica en de kosmologie. Theoretische simulaties zijn essentieel voor het plannen en evalueren van voorgestelde experimenten. Het onderzoeksteam presenteerde hun resultaten in een recent gepubliceerd artikel in Fysieke beoordelingsbrieven .

FRIB-theoretici Jiangming Yao, onderzoeksmedewerker en de hoofdauteur van de studie, Roland Wir, onderzoeksmedewerker, en Heiko Hergert, assistent professor, zijn lid van een actuele samenwerking op het gebied van fundamentele symmetrieën en neutrinoloos dubbel-bèta-verval. Het Amerikaanse Department of Energy Office of Science Office of Nuclear Physics financiert de actuele samenwerking. De theoretici bundelden hun krachten met collega-topische samenwerkingsleden van de Universiteit van North Carolina-Chapel Hill en externe medewerkers van de Universidad Autonoma de Madrid, Spanje. Hun werk markeert een belangrijke mijlpaal in de richting van een theoretische berekening van neutrinoloze dubbele bètavervalsnelheden met volledig gecontroleerde en gekwantificeerde onzekerheden.

De auteurs ontwikkelden de In-Medium Generator-Coordinate Method (IM-GCM). Het is een nieuwe benadering voor het modelleren van de interacties tussen nucleonen die in staat is om de complexe structuur van de kandidaat-kernen voor dit verval te beschrijven. De eerste toepassing van IM-GCM op de berekening van de neutrinoloze dubbele bètavervalsnelheid voor de kern van calcium-48 vormt de basis voor verkenningen van de andere kandidaten met beheersbare theoretische onzekerheid.

Bij neutrinoloos dubbel-bèta-verval, twee protonen transformeren tegelijkertijd in neutronen zonder de twee neutrino's uit te zenden die voorkomen in meer typische zwakke interactieprocessen. Als het bestaat, dit is een uiterst zeldzaam verval waarvan wordt verwacht dat het een halfwaardetijd heeft van meer dan 10 septiljoen jaar (een 1 met 25 nullen), wat betekent dat de helft van een steekproef van kernen in deze extreem lange periode een neutrinoloos dubbel bèta-verval zou hebben ondergaan.

Zijn observatie zou aantonen dat neutrino's hun eigen antideeltjes zijn. Elk subatomair deeltje heeft een corresponderend antideeltje, die dezelfde massa maar een gelijke en tegengestelde lading heeft. Deeltjes en antideeltjes kunnen elkaar vernietigen, waardoor er alleen energie overblijft. Vandaar, er zouden geen neutrino's worden waargenomen in neutrinoloos dubbel-bèta-verval. Een observatie zonder neutrino's met dubbele bètaverval zou aantonen dat een fundamentele wet - het behoud van het leptongetal - in de natuur wordt geschonden. Dit zou kunnen helpen verklaren waarom het universum meer materie bevat dan antimaterie, die bestaat uit de bovengenoemde antideeltjes. De waarneming zou ook leiden tot inspanningen om het standaardmodel van de deeltjesfysica te voltooien.

"De afwezigheid van neutrino's in dit nog onbevestigde verval maakt het mogelijk om de neutrinomassa's te bepalen, " zei Hergert. "Deze massa's zijn een belangrijke parameter in modellen van de evolutie van het universum. De theoretische vervalsnelheid is een belangrijk ingrediënt bij de extractie van de neutrinomassa's uit de gemeten levensduur, of in ieder geval nieuwe bovengrenzen voor deze hoeveelheden geeft."

Theoretische berekeningen zoals die van de auteurs zullen ook helpen bij het bepalen van de grootte van de detectoren die nodig zijn voor grootschalige neutrinoloze dubbel-bèta-vervalexperimenten.

Het ontwikkelen en implementeren van tests van fundamentele symmetrieën is een belangrijk onderdeel van de missie van de FRIB. FRIB-experimenten onderzoeken de structuur van neutrinoloze dubbele bètavervalkandidaten en hun naburige isotopen, die van invloed is op de snelheid waarmee het verval kan optreden. De theoretische methoden die voor dit onderzoek zijn ontwikkeld, kunnen nu worden toegepast op andere kernen met complexe structuren die bij FRIB worden bestudeerd.