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研究人员开发出新颖的方法来建模尚未确认的稀有核过程

密歇根州立大学(MSU)的稀有同位素束实验室(FRIB)实验室的研究人员朝着对中微子双β衰变的理论第一原理描述迈出了重要一步。观察这一尚未得到确认的罕见核过程将对粒子物理学和宇宙学产生重要影响。理论模拟对于计划和评估建议的实验至关重要。研究小组在最近发表在《物理评论快报》上的一篇文章中介绍了他们的研究结果。

FRIB理论家,研究助理和研究的主要作者姚江明,研究助理Roland Wirth和助理教授Heiko Hergert是关于基本对称性和中微子双β衰变的主题合作的成员。美国能源部科学办公室核物理办公室正在资助主题合作。理论家与来自北卡罗来纳大学教堂山分校的主题合作成员以及西班牙马德里自治大学的外部合作者携手合作。他们的工作标志着对具有完全受控和量化不确定性的无中微子双β衰变率进行理论计算的重要里程碑。

作者开发了“中生成器坐标法”(IM-GCM)。这是一种用于建模核子之间相互作用的新颖方法,能够描述这种衰变的候选核的复杂结构。IM-GCM在钙48原子核的无中微子双β衰变率计算中的首次应用,为探索具有可控理论不确定性的其他候选物奠定了基础。

在无中微子的双β衰变中,两个质子同时转换为中子,而不会发射出现在更典型的弱相互作用过程中的两个中微子。如果存在的话,这是一种极其罕见的衰变,预期其半衰期会超过10亿年(1与25个零),这意味着半个原子核样本在2007年将经历无中微双β衰变。这个非常长的时期。

它的观察表明中微子是它们自己的反粒子。每个亚原子粒子都有一个对应的反粒子,其质量相同但电荷相等且相反。粒子和反粒子可以互相歼灭,仅留下能量。因此,在无中微子的双β衰变中不会观察到中微子。无中微子双β衰变观测将表明,自然界中违反了基本定律-轻子数守恒。这可以帮助解释为什么宇宙包含的物质多于反物质,反物质由上述反粒子组成。该观察还将指导完成粒子物理学标准模型的工作。

赫格特说:“在这种尚未确定的衰变过程中,由于没有中微子,因此有可能确定中微子的质量。” “这些质量是宇宙演化模型中的重要参数。理论衰减速率是从测量的寿命中提取中微子质量的关键因素,或者至少为这些量提供了新的上限。”

像作者介绍的理论计算一样,也将有助于确定大规模无微子双β衰变实验所需的探测器尺寸。

开发和实施基本对称性测试是FRIB使命的重要组成部分。FRIB实验探索了中微子双β衰变候选物及其邻近同位素的结构,这影响了衰变发生的速率。为这项研究开发的理论方法现在可以应用于FRIB研究的其他具有复杂结构的核。

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