Исследователи из Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ совместно с коллегами из научных центров России и Казахстана впервые обнаружили одиночный бета-распад изотопа циркония-96 (96Zr). Физикам потребовалось несколько лет непрерывных измерений, чтобы подтвердить открытие самого редкого в природе процесса одиночного бета-распада.
Спектры γ-квантов в энергетическом диапазоне 0–2800 кэВ. Черная линия — измерения с использованием обогащенных образцов циркония в течение 12625,34 ч. Красная пунктирная линия — фоновые измерения в течение 2896,98 ч, нормированные на 12625,34 ч
Эксперимент, главной целью которого изначально было исследование двойного бета-распада циркония-96, проходил в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН — на глубине 4900 метров водного эквивалента. В своей работе ученые использовали низкофоновую установку SNEG на основе детектора из особо чистого германия.
Поиск двойного безнейтринного бета-распада (0νββ) — одна из наиболее актуальных задач в современной ядерной физике и физике элементарных частиц. Обнаружение этого гипотетического процесса, выходящего за рамки Стандартной модели, продемонстрировало бы возможность нарушения лептонного числа и доказало бы майорановскую природу нейтрино (тождественность нейтрино и антинейтрино). Изучение 0νββ-распада может дать ученым ответ на вопрос, почему во Вселенной материи значительно больше, чем антиматерии. Таким образом, спектрометрические поиски безнейтринного двойного бета-распада напрямую связывают ядерную физику с астрофизикой и космологией.
Сегодня самым перспективным кандидатом для будущих экспериментов по изучению 0νββ-распада является именно 96Zr. Период полураспада этого нестабильного изотопа превышает возраст Вселенной приблизительно в миллиард раз. Вероятность двойного бета-распада циркония-96 (при одинаковой массе детекторов) почти в сто раз превосходит вероятность распада другого перспективного ядра — германия-76. Кроме того, энергия распада 96Zr выше верхнего порога энергии гамма-лучей естественной радиоактивности.
Успех эксперимента во многом стал возможен благодаря качеству исследуемого материала. В природном цирконии доля нужного ученым изотопа составляет всего 2,8 %. В 2022 году по заказу ОИЯИ корпорация «Росатом» разработала специальный метод обогащения 96Zr и поставила уникальные образцы в Дубну. После первоначальных исследований в Объединенном институте материал был отправлен в Баксанскую нейтринную обсерваторию ИЯИ РАН.
Образцы обогащенного циркония в низкофоновых нейлоновых контейнерах на платформе экспериментальной установки
Первым результатом работы стало открытие самого редкого из всех существующих в природе одиночного бета-распада. Примечательно, что согласно расчетам этот открытый переход происходит в природе даже реже, чем двойной бета-распад ядра циркония-96 с испусканием двух антинейтрино.
В дальнейших планах ученых — поиск двойного бета-распада циркония-96 на возбужденные состояния молибдена-96, а также создание специализированных детекторов для изучения распада на основное состояние. Подробное описание исследований и полученные результаты уже доступны в архиве электронных препринтов: https://arxiv.org/abs/2605.18344.
