I ricercatori del laboratorio Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) della Michigan State University (MSU) hanno compiuto un passo importante verso una descrizione teorica dei primi principi del decadimento doppio beta senza neutrini. L'osservazione di questo raro processo nucleare non ancora confermato avrebbe importanti implicazioni per la fisica delle particelle e la cosmologia. Le simulazioni teoriche sono essenziali per pianificare e valutare gli esperimenti proposti. Il team di ricerca ha presentato i propri risultati in un articolo recentemente pubblicato su Lettere di revisione fisica .

I teorici del FRIB Jiangming Yao, ricercatore associato e autore principale dello studio, Roland Wirth, ricerca associata, e Heiko Hergert, professore assistente, sono membri di una collaborazione topica sulle simmetrie fondamentali e il decadimento doppio beta senza neutrini. Il Dipartimento di Energia degli Stati Uniti Office of Science Office of Nuclear Physics sta finanziando la collaborazione topica. I teorici hanno unito le forze con altri membri della collaborazione di attualità dell'Università della Carolina del Nord-Chapel Hill e collaboratori esterni dell'Universidad Autonoma de Madrid, Spagna. Il loro lavoro segna un'importante pietra miliare verso un calcolo teorico dei tassi di decadimento del doppio beta senza neutrini con incertezze completamente controllate e quantificate.

Gli autori hanno sviluppato il metodo delle coordinate del generatore nel mezzo (IM-GCM). È un nuovo approccio per modellare le interazioni tra nucleoni in grado di descrivere la complessa struttura dei nuclei candidati a questo decadimento. La prima applicazione di IM-GCM al calcolo del tasso di decadimento doppio beta senza neutrini per il nucleo di calcio-48 pone le basi per esplorazioni degli altri candidati con incertezza teorica controllabile.

Nel decadimento doppio beta senza neutrini, due protoni si trasformano simultaneamente in neutroni senza emettere i due neutrini che compaiono nei più tipici processi di interazione debole. Se esiste, questo è un decadimento estremamente raro che dovrebbe avere un'emivita maggiore di 10 settillion anni (un 1 con 25 zeri), il che significa che metà di un campione di nuclei avrebbe subito un doppio decadimento beta senza neutrini in questo periodo estremamente lungo.

La sua osservazione dimostrerebbe che i neutrini sono le loro antiparticelle. Ogni particella subatomica ha una corrispondente antiparticella, che ha la stessa massa ma carica uguale e contraria. Particelle e antiparticelle possono annichilirsi a vicenda, lasciando solo energia. Quindi, nessun neutrino verrebbe osservato nel decadimento doppio beta senza neutrini. Un'osservazione del decadimento doppio beta senza neutrini mostrerebbe che una legge fondamentale - la conservazione del numero leptonico - è violata in natura. Questo potrebbe aiutare a spiegare perché l'universo contiene più materia che antimateria, che consiste delle suddette antiparticelle. L'osservazione indirizzerebbe anche gli sforzi per completare il Modello Standard della fisica delle particelle.

"L'assenza di neutrini in questo decadimento ancora non confermato rende possibile determinare le masse dei neutrini, " ha detto Hergert. "Queste masse sono un parametro importante nei modelli dell'evoluzione dell'universo. Il tasso di decadimento teorico è un ingrediente chiave nell'estrazione delle masse di neutrini dalla vita misurata, o quantomeno prevede nuovi limiti massimi su queste quantità."

Calcoli teorici come quelli presentati dagli autori aiuteranno anche a determinare la dimensione dei rivelatori necessari per esperimenti di decadimento doppio beta senza neutrini su larga scala.

Lo sviluppo e l'implementazione di test di simmetrie fondamentali è un elemento importante della missione di FRIB. Gli esperimenti FRIB esplorano la struttura dei candidati al doppio decadimento beta senza neutrini e i loro isotopi vicini, che influenza la velocità con cui potrebbe verificarsi il decadimento. I metodi teorici sviluppati per questo studio possono ora essere applicati ad altri nuclei con strutture complesse che vengono studiati al FRIB.