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俄哈联合团队首次发现锆-96单β衰变,为自然界最罕见衰变过程

2026-05-28 10:28          锆-96单β衰变 核物理

俄罗斯联合核子研究所核问题实验室研究人员与俄罗斯及哈萨克斯坦同行合作,首次发现了锆-96(96Zr)同位素的单β衰变。该实验历时数年连续测量,最终确认了这一自然界中最罕见的单β衰变过程。

能量范围为 0–2800 keV 的伽马射线谱。黑线代表使用富集锆样品进行 12625.34 小时的测量结果。红色虚线代表 2896.98 小时的背景测量结果,并已归一化至 12625.34 小时。

实验最初目标是研究锆-96的双β衰变,在俄罗斯科学院核研究所巴克桑中微子天文台进行,该天文台深度相当于水深4900米。科学家使用了采用高纯锗探测器的SNEG低本底装置。寻找无中微子双β衰变(0νββ)是现代核物理和粒子物理中最紧迫的问题之一,若被探测到,将证明轻子数破坏的可能性,并证实中微子的马约拉纳性质。锆-96是研究0νββ衰变最有希望的候选原子核,其半衰期比宇宙年龄长约十亿倍,双β衰变概率约为锗-76的百倍,且衰变能量高于天然放射性伽马射线的能量上限。

实验装置平台上的低本底尼龙容器中盛放着富集锆样品

实验成功很大程度上归功于所研究材料的质量。天然锆中锆-96同位素含量仅为2.8%,2022年俄罗斯国家原子能公司应杜布纳联合核子研究所要求,开发了特殊的锆-96富集方法并提供了独特样品。研究的首要成果即发现了自然界已知最罕见的单β衰变过程,据计算,该衰变的发生频率甚至低于锆-96的双β衰变。科学家未来计划寻找锆-96衰变为钼-96激发态的双β衰变,并制造专用探测器研究衰变为基态的过程。


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