Insights sobre Processos de Decaimento Nuclear Raros
Um estudo revela novos detalhes sobre a desintegração dupla beta de dois neutrinos.
― 6 min ler
Índice
A desintegração nuclear acontece quando um átomo instável perde energia emitindo radiação. Um dos tipos raros de desintegração é chamado de desintegração dupla beta com dois Neutrinos. Nesse processo, dois nêutrons em um átomo se transformam em dois prótons. Junto com essa mudança, dois elétrons e dois neutrinos são liberados. Essa desintegração específica é bem rara e não é totalmente compreendida. Os cientistas estão interessados nisso porque pode dar pistas sobre a natureza das partículas e das forças fundamentais do universo.
O que é Desintegração Dupla Beta com Dois Neutrinos?
A desintegração dupla beta com dois neutrinos ocorre em certos átomos pesados. Normalmente, um nêutron se transforma em um próton sozinho, liberando um elétron e um neutrino. Mas, na desintegração dupla beta, dois nêutrons mudam ao mesmo tempo. Como resultado, são produzidos dois elétrons e dois neutrinos. Como os neutrinos são muito leves e difíceis de detectar, esse processo pode ser complicado de estudar.
A descoberta de outro tipo de desintegração beta, chamada desintegração dupla beta sem neutrinos, pode revelar insights ainda mais significativos. Nessa desintegração, nenhum neutrino é emitido. Se comprovada, pode indicar que os neutrinos têm uma propriedade única chamada "natureza de Majorana", onde eles são suas próprias antipartículas. Essa descoberta pode abrir novos caminhos na física de partículas e afetar bastante nossa compreensão do universo.
O Experimento
Para estudar esse processo de desintegração raro, uma equipe de cientistas fez um experimento usando Detectores de Germânio de alta pureza. O objetivo era medir a vida média da desintegração dupla beta com dois neutrinos. A vida média é o tempo que leva para metade de um grupo de átomos se desintegrar. Uma medição mais precisa dessa vida média pode ajudar os cientistas a entender melhor o processo de desintegração.
O experimento foi realizado subterrâneo no Laboratori Nazionali del Gran Sasso na Itália. Estar debaixo da terra ajuda a minimizar o Ruído de Fundo da radiação cósmica, que pode interferir nas medições.
Como o Equipamento Funciona
Os pesquisadores usaram detectores de germânio feitos de material enriquecido no isótopo específico que estavam estudando. Os detectores capturam a energia liberada durante o processo de desintegração. Quando ocorre um evento de desintegração, ele produz um sinal detectável no detector. A energia da desintegração se divide entre os dois elétrons e os dois neutrinos que escapam.
Para melhorar a precisão de suas medições, a equipe usou um sistema de argônio líquido que ajudou a filtrar o ruído de fundo e realçar o sinal dos eventos de desintegração. Esse sistema permitiu que eles observassem menos interações de fundo, o que é crucial para obter resultados precisos.
Coletando Dados
Durante o estudo, os pesquisadores coletaram uma exposição total de 11,8 kg-anos. Esse número indica quanto tempo eles observaram o processo e a quantidade de material que estudaram. Das informações coletadas, apenas medições específicas com nove detectores de germânio de alta pureza foram incluídas na análise final.
Antes de começar o experimento, cada um dos detectores foi cuidadosamente caracterizado para determinar seus volumes ativos e a quantidade de camada morta, que é a parte do detector onde as interações não são registradas completamente. Esse conhecimento é essencial para medições precisas.
Analisando os Resultados
Depois de reunir os dados, os pesquisadores usaram métodos estatísticos para analisar os eventos de desintegração. Eles construíram um modelo que incluía tanto os eventos de desintegração esperados quanto o ruído de fundo. Esse modelo permitiu que eles diferenciassem os sinais reais de desintegração de outros eventos aleatórios que poderiam confundir os resultados.
Os pesquisadores encontraram uma melhoria significativa na relação sinal-ruído graças às suas técnicas avançadas de rejeição de fundo. Essa melhoria significa que conseguiram identificar mais eventos reais de desintegração em comparação ao ruído de fundo.
Medição Precisa
Os resultados do experimento forneceram uma determinação precisa da vida média da desintegração dupla beta com dois neutrinos. O novo valor da vida média foi consistente com medições anteriores, mas também mostrou um leve aumento. Essa tendência sugere que, à medida que os experimentos avançam, eles estão se tornando melhores em medir esses processos raros.
Um dos principais desafios para os pesquisadores é garantir a precisão dos volumes ativos de seus detectores. Qualquer incerteza nessas medições pode afetar diretamente a vida média calculada da desintegração. Os pesquisadores concluíram que as incertezas sistemáticas nas medições do volume ativo contribuíram significativamente para a incerteza geral em seus resultados.
Importância do Estudo
Compreender a desintegração dupla beta com dois neutrinos é essencial por várias razões. Primeiro, ajuda os cientistas a refinarem seus modelos de comportamento das partículas. Segundo, os insights obtidos ao estudar tais desintegrações podem levar à identificação de novas partículas e forças que atualmente não são explicadas por teorias físicas conhecidas.
Além disso, medições precisas das vidas médias para várias desintegrações permitem que os pesquisadores testem as previsões dos modelos existentes e melhorem a compreensão dos processos nucleares. Com novos experimentos surgindo, os cientistas esperam levar essas medições ainda mais longe.
Direções Futuras
Olhando para o futuro, os pesquisadores estão animados para continuar explorando as propriedades dos neutrinos e seu papel no universo. Experimentos que estão por vir, como o experimento LEGEND, visam investigar ainda mais a desintegração dupla beta sem neutrinos. Esses estudos futuros continuarão a aproveitar técnicas refinadas e tecnologia avançada para ajudar a esclarecer perguntas antigas na física de partículas.
Em resumo, medir processos nucleares raros como a desintegração dupla beta com dois neutrinos fornece insights valiosos sobre o funcionamento fundamental do nosso universo. Esforços contínuos nessa área prometem revelar descobertas críticas que podem remodelar nossa compreensão da matéria e da energia.
Título: Final Results of GERDA on the Two-Neutrino Double-$\beta$ Decay Half-Life of $^{76}$Ge
Resumo: We present the measurement of the two-neutrino double-$\beta$ decay rate of $^{76}$Ge performed with the GERDA Phase II experiment. With a subset of the entire GERDA exposure, 11.8 kg$\cdot$yr, the half-life of the process has been determined: $T^{2\nu}_{1/2} = (2.022 \pm 0.018_{stat} \pm 0.038_{sys})\times10^{21}$ yr. This is the most precise determination of the $^{76}$Ge two-neutrino double-$\beta$ decay half-life and one of the most precise measurements of a double-$\beta$ decay process. The relevant nuclear matrix element can be extracted: $M^{2\nu}_{\text{eff}} = (0.101\pm0.001).$
Autores: GERDA collaboration, M. Agostini, A. Alexander, G. R. Araujo, A. M. Bakalyarov, M. Balata, I. Barabanov, L. Baudis, C. Bauer, S. Belogurov, A. Bettini, L. Bezrukov, V. Biancacci, E. Bossio, V. Bothe, R. Brugnera, A. Caldwell, S. Calgaro, C. Cattadori, A. Chernogorov, P. -J. Chiu, T. Comellato, V. D'Andrea, E. V. Demidova, A. Di Giacinto, N. Di Marco, E. Doroshkevich, F. Fischer, M. Fomina, A. Gangapshev, A. Garfagnini, C. Gooch, P. Grabmayr, V. Gurentsov, K. Gusev, S. Hackenmüller, S. Hemmer, W. Hofmann, J. Huang, M. Hult, L. V. Inzhechik, J. Janicskó Csáthy, J. Jochum, M. Junker, V. Kazalov, Y. Kermaïdic, H. Khushbakht, T. Kihm, K. Kilgus, I. V. Kirpichnikov, A. Klimenko, K. T. Knöpfle, O. Kochetov, V. N. Kornoukhov, P. Krause, V. V. Kuzminov, M. Laubenstein, B. Lehnert, M. Lindner, I. Lippi, A. Lubashevskiy, B. Lubsandorzhiev, G. Lutter, C. Macolino, B. Majorovits, W. Maneschg, L. Manzanillas, G. Marshall, M. Miloradovic, R. Mingazheva, M. Misiaszek, M. Morella, Y. Müller, I. Nemchenok, M. Neuberger, L. Pandola, K. Pelczar, L. Pertoldi, P. Piseri, A. Pullia, C. Ransom, L. Rauscher, M. Redchuk, S. Riboldi, N. Rumyantseva, C. Sada, S. Sailer, F. Salamida, S. Schönert, J. Schreiner, M. Schütt, A. -K. Schütz, O. Schulz, M. Schwarz, B. Schwingenheuer, O. Selivanenko, E. Shevchik, M. Shirchenko, L. Shtembari, H. Simgen, A. Smolnikov, D. Stukov, S. Sullivan, A. A. Vasenko, A. Veresnikova, C. Vignoli, K. von Sturm, T. Wester, C. Wiesinger, M. Wojcik, E. Yanovich, B. Zatschler, I. Zhitnikov, S. V. Zhukov, D. Zinatulina, A. Zschocke, A. J. Zsigmond, K. Zuber, G. Zuzel
Última atualização: 2023-08-18 00:00:00
Idioma: English
Fonte URL: https://arxiv.org/abs/2308.09795
Fonte PDF: https://arxiv.org/pdf/2308.09795
Licença: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Alterações: Este resumo foi elaborado com a assistência da AI e pode conter imprecisões. Para obter informações exactas, consulte os documentos originais ligados aqui.
Obrigado ao arxiv pela utilização da sua interoperabilidade de acesso aberto.
Ligações de referência
- https://doi.org/
- https://doi.org/10.3390/universe6100159
- https://arxiv.org/abs/2009.14451
- https://doi.org/10.1103/PhysRevD.25.2951
- https://doi.org/10.1155/2016/2162659
- https://arxiv.org/abs/1601.07512
- https://doi.org/10.1016/0370-2693
- https://arxiv.org/abs/hep-ph/9511227
- https://doi.org/10.1016/j.physletb.2021.136127
- https://arxiv.org/abs/2012.09281
- https://doi.org/10.1103/PhysRevD.103.055019
- https://arxiv.org/abs/2011.13387
- https://doi.org/10.1088/1361-6633/aa5bc5
- https://arxiv.org/abs/1610.06548
- https://doi.org/10.1103/PhysRevC.91.034304
- https://arxiv.org/abs/1506.08530
- https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2005.12.004
- https://arxiv.org/abs/0706.4304
- https://doi.org/10.1103/PhysRevC.96.044322
- https://arxiv.org/abs/1710.00254
- https://arxiv.org/abs/2207.05108
- https://doi.org/10.1142/S0217732390001475
- https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.65.3092
- https://doi.org/10.1016/0146-6410
- https://doi.org/10.1103/PhysRevD.55.54
- https://doi.org/10.1007/s100500170022
- https://arxiv.org/abs/hep-ph/0103062
- https://doi.org/10.1016/S0920-5632
- https://arxiv.org/abs/hep-ph/9809540
- https://doi.org/10.1016/j.nima.2003.07.018
- https://arxiv.org/abs/hep-ex/0309016
- https://doi.org/10.1088/0954-3899/40/3/035110
- https://arxiv.org/abs/1212.3210
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-015-3627-y
- https://arxiv.org/abs/1501.02345
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-013-2330-0
- https://arxiv.org/abs/1212.4067
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-018-5812-2
- https://arxiv.org/abs/1711.01452
- https://doi.org/10.1126/science.aav8613
- https://arxiv.org/abs/1909.02726
- https://doi.org/10.1088/1748-0221/17/02/P02038
- https://arxiv.org/abs/2202.03847
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-017-5499-9
- https://arxiv.org/abs/1708.00226
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-016-4140-7
- https://arxiv.org/abs/1601.05935
- https://doi.org/10.1103/PhysRevC.81.032501
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-023-11354-9
- https://arxiv.org/abs/2212.02856
- https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.252502
- https://arxiv.org/abs/2009.06079
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-015-3409-6
- https://arxiv.org/abs/1502.04392
- https://arxiv.org/abs/2103.13777
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-019-7353-8
- https://arxiv.org/abs/1901.06590
- https://doi.org/10.1088/1475-7516/2022/12/012
- https://arxiv.org/abs/2209.01671
- https://doi.org/10.1093/ptep/ptaa104
- https://doi.org/10.1109/TNS.2011.2144619
- https://arxiv.org/abs/1011.3827
- https://doi.org/10.1007/JHEP03
- https://arxiv.org/abs/1909.02522
- https://d-nb.info/1095395440/34
- https://doi.org/10.1103/PhysRevC.85.034316
- https://arxiv.org/abs/1209.5722
- https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2005.03.003
- https://arxiv.org/abs/nucl-th/0411002
- https://arxiv.org/abs/2012.11749
- https://doi.org/10.1103/PhysRevC.89.015502
- https://arxiv.org/abs/1306.6106
- https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.262501
- https://arxiv.org/abs/1909.03397
- https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-020-8203-4
- https://arxiv.org/abs/1912.07272
- https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.092007
- https://arxiv.org/abs/1811.06398
- https://doi.org/10.1103/PhysRevD.93.112008
- https://arxiv.org/abs/1604.01710
- https://doi.org/10.1103/PhysRevD.94.072003
- https://arxiv.org/abs/1606.08494
- https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2010.07.009
- https://arxiv.org/abs/0906.2694
- https://arxiv.org/abs/2107.11462