Масса нейтрино и их антинейтрино - один из самых больших вопросов, на которые нет ответа в физике. Нейтрино являются элементарными частицами в стандартной модели физики элементарных частиц и очень распространены в природе. Они образуются, например, в результате ядерных реакций на Солнце. Каждую секунду триллионы солнечных нейтрино проходят сквозь нас.

"Определение их массы имело бы первостепенное значение", - говорит профессор Ану Канкайнен из Университета Ювяскюля. "Понимание их может дать нам лучшую картину эволюции Вселенной".

Путь к пониманию электронных антинейтрино

Одним из способов получения электронных антинейтрино и определения их массы является ядерный бета-распад. Это процесс слабого взаимодействия, в результате которого образуется дочернее ядро, электрон и его антинейтрино. Энергия, выделяющаяся в процессе, известна как величина Q затухания. Он определяется массами родительского ядра и продуктов распада.

"Поскольку масса электронного антинейтрино, по оценкам, по меньшей мере на пять порядков меньше массы электрона, очень сложно наблюдать его вклад в бета-распад", - говорит доктор Йоуни Руотсалайнен из Университета Ювяскюля, который изучает этот вопрос в рамках своей докторской диссертации. "Чтобы сделать это более понятным, особый интерес представляют бета-распады, которые выделяют очень мало энергии, так называемые бета-распады с низкой добротностью".

Бета-распад изомера серебра-110: новый и многообещающий кандидат для измерения массы антинейтрино

Исследователи из Университета Ювяскюля обнаружили потенциальный ядерный бета-распад, который можно было бы использовать для определения массы антинейтрино.

"Предыдущие поиски были в основном сосредоточены на бета-распад в основном состоянии, но также и на многих долгоживущих возбужденных состояниях, известных как распад изомеров посредством бета-распада", - говорит Руотсалайнен. "Одним из таких случаев является изомер в изотопе серебра-110. Он имеет длительный период полураспада - около 250 дней - и распадается главным образом путем бета-распада до возбужденных состояний в своем дочернем ядре кадмий-110."

Исследователь удивлен простотой измерения массы и результатами

Основываясь на литературных значениях, добротность бета-распада изомера серебра-110 в возбужденное состояние при 3008,41 кэВ может быть отрицательной, что означает невозможность распада, или слегка положительной. Основная неопределенность связана с основным состоянием родительского и дочернего нуклидов.

"Мы могли бы значительно уменьшить неопределенность этого значения Q, измерив разницу масс между стабильными изотопами серебра-109 и кадмия-110 с помощью масс-спектрометра JYFLTRAP Penning trap Лаборатории ускорителей", - объясняет Руотсалайнен. "Было довольно легко получить стабильные ионы серебра и кадмия с помощью наших существующих источников ионов электрического разряда и измерить разницу их масс с помощью метода фазового ионного циклотронного резонанса. Я был взволнован, увидев, что результирующее значение Q, равное 405 (135) эВ, является положительным и фактически самым низким для любого разрешенного перехода бета-распада, обнаруженного до сих пор".

Физики-теоретики подтвердили экспериментальные результаты

Не все распады изомера серебра-110 приводят к состоянию при 3008,41 кэВ в кадмии-110. Чтобы оценить их долю, были проведены расчеты по модели оболочки.

"Наши расчеты показывают, что примерно три из каждого миллиона распадов этого изомера происходят по увлекательному пути с низким энергопотреблением. Хотя это может показаться незначительным, на самом деле это весьма существенно для такого низкоэнергетического перехода. Более того, при периоде полураспада около 250 дней изомер сохраняется достаточно долго, чтобы исследователи могли получить значимый образец и, надеюсь, зафиксировать большое количество этих редких распадов в действии", - комментирует исследователь Марлом Рамальо, который выполнил теоретическую работу. Рамальо недавно защитил докторскую диссертацию в Университете Ювяскюля и в настоящее время является научным сотрудником Фонда Оскара Хуттунена в Йоркском университете.

Измерения продолжаются

Допустимый характер бета-распада изомера серебра-110, полученное очень низкое значение добротности и тот факт, что изомер легко образуется в ядерных реакторах с помощью тепловых нейтронов, делает серебро-110 очень привлекательным кандидатом для будущих экспериментов с антинейтрино.

"Это, безусловно, тот случай, который заслуживает более детального изучения", - говорит Канкайнен. "Наше плодотворное сотрудничество с местными теоретиками также выявило пару новых изомерных бета-распадов, которые можно было бы изучить в дальнейшем для физики нейтрино. Приятно видеть, что измерения стабильных или почти стабильных изотопов все еще могут быть очень эффективными".