Present status and perspectives of double beta decay research

Abstract

Up to now only 18 nuclei from all 35 potential 2 beta(-) active candidates were studied in direct counting experiments. The highest limits of half-lives for 0 nu 2 beta decay have been set for Ge-76: 2x10(exp 24) y, Xe-136: 4x10(exp 23) y, Se-82, Mo-100, Cd-116, Te-130: approximately 10(exp 22) y, Ca-48,Nd-150: approximately 10(exp 21) y. The 0 nu 2 beta results for other nuclei are placed in the region of 10(exp 16)-10(exp 19) y. The two-neutrino 2 beta decay of Ge-76 (T(sub 1/2) is approximately 10(exp 21) y, Se-82 (approximately 10(exp 20) y, Mo-100, Cd-116 and Nd-150 (approximately 10(exp 19) y were observed surely. The most sensitive results for O nu 2 beta decay (Ge-76, Xe-136, Cd-116 and Te-130) as well as for 2 nu decay mode (Ge-76) were obtained by using the technique with active source. The devices with passive source and tacking detectors are more convenient for detail investigation of 2 nu 2 beta decay (the present day level of sensitivity is 10(exp 19)-10(exp 20) y). There are several projects to increase the sensitivity of 0 nu 2 beta decay experiments to the level of 10(exp 24) -10(exp 25) years. The most promising proposals among them are the following: (1) the development of large volume liquid Xe TPC (Time Projection Chamber) and self-triggered drift chamber filled by liquid enriched Xe-136; (2) the building of the biggest tracking detector for 2 beta investigations of Mo-100 by NEMO collaboration; (3) using in the experiment of Milano group the enriched (130)TeO2 crystals with mass about 1 kg; (4) the Keiv-Heidelberg project with enriched (116) CdWO4 crystal scintillators. A neutrinoless 2 beta decay is unobserved phenomenon still now. Despite the big progress in understanding and interpretation of this process, new development in calculations of the nuclear matrix elements and half-lives, the present theoretical situation does not look completely definite. Thus it is rather difficult to suppose that without any positive experimental results on 0 nu 2 beta decay and on the base of theory anybody can point out the best nucleus for discovery of neutrinoless 2 beta decay. The new and sometimes unexpected advancements in experimental technique could give the advantages to particular 2 beta decay candidates. The good example is CdWO4 crystal scintillators which were developed and used for study of 2 beta decay of Cd-116. So the present experimental and theoretical situation in 2 beta decay problem makes necessary to extend the number of nuclides studied with a sensitivity comparable or better than for Ge-76.

今日に至るまで2β(-)活性の可能性のある35種の原子核のうち、18種のみが直接的な計数実験により研究されてきた。0ν2β崩壊の半減期の上限はそれぞれ、Ge-76については2×10{24}y、Xe-136には4×10{23}y、Se-82・Mo-100・Cd-116・Te-130については約10{22}y、Ca-48・Nd-150については10{21}yと定められた。他の原子核の0ν2βについての結果は10{16}-10{19}yとされている。2ν2β崩壊の半減期はそれぞれ、Ge-76につき約10{21}y、Se-82約10{20}y、Mo-100・Cd-116・Nd-150については約10{19}yとして、確実に観測された。0ν2β崩壊(Ge-76・Xe-136・Cd-116・Te-130)についての最も鋭敏な結果は、2ν崩壊(Ge-76)同様にアクティブソースを用いた技術により得られた。パッシブソースと飛跡検出器からなる装置は、2ν2β崩壊の詳細な研究にさらに便利である(最近の感度レベルは10{19}-10{20}y)。0ν2β崩壊実験の感度を10{24}-10{25}年のレベルに増加させるいくつかのプロジェクトがある。それらのうちで最も有望な提案は、(1)大容量液体XeTPC(タイムプロジェクションチェンバー)と、液体濃縮Xe-136を満たしたセルフトリガー型のドリフトチャンバーの開発、(2)Mo-100の2β研究用の最大級の飛跡検出器のNEMO共同研究による製作、(3)ミラノグループの実験で用いられる約１kgの濃縮(130)Te02結晶、(4)濃縮(116)CdWO4結晶を用いたキエフ・ハイデルベルクプロジェクトである。しかし、非常に高感度な実験については、2ν2β崩壊によってひき起こされるバックグラウンドに結びついた深刻な問題がある。0ν2β崩壊は今でも観測されていない現象である。この過程についての解釈と理解についての大きな進展、すなわち、核マトリクス要素と半減期の計算の新たな発展にもかかわらず、現在の理論の状況は完全に明確には見えない。それゆえ、0ν2β崩壊についてのポジティブな実験結果と理論の基礎なしには、この崩壊過程の発見に最も適した原子核がどれであるかを示すことは困難である。現在の2β崩壊問題の実験および理論面での状況は、Ge-76と同等あるいはそれ以上の感度で、いくつかの核種について研究を拡張することを必要としている。