La búsqueda de la doble desintegración beta sin neutrinos (0νββ) se considera uno de los métodos más sensibles para determinar la naturaleza del neutrino. Sin embargo, la sensibilidad de los futuros experimentos depende directamente de la precisión de los elementos de matriz nucleares (NME), que no se pueden medir directamente. Se calculan mediante modelos nucleares, y las incertidumbres de estos cálculos limitan la interpretación de los resultados. Las desintegraciones beta prohibidas, especialmente las de segundo orden de prohibición, como la del 99Tc, han demostrado ser una prueba rigurosa para estos modelos: sus períodos de semidesintegración y la forma del espectro dependen fuertemente de las funciones de onda nucleares y de la renormaliación efectiva de las corrientes débiles. Este trabajo se suma a las recientes mediciones de espectros beta de diferentes isótopos, pero utiliza un detector fundamentalmente distinto: un detector de deriva de silicio (SDD) en lugar de calorímetros criogénicos. Este enfoque promete una mayor flexibilidad experimental y la posibilidad de medir directamente el fondo.
La fuente de 99Tc se preparó mediante secado por sublimación: se depositó una gota de solución de pertecnetato de amonio sobre un sustrato de silicio, se congeló a -10°C y se secó al vacío para obtener una capa fina y homogénea sin cristales grandes. La actividad de la fuente fue de aproximadamente 10 Bq. El detector principal es un detector de deriva de silicio (SDD) de 1 mm de espesor y 8×8 mm de área, fabricado en FBK. Junto a él se colocó un cristal centelleador LYSO, que contiene el isótopo natural lutecio-176, que al desintegrarse produce líneas gamma y de rayos X con energías de 55.8, 201.8 y 306.8 keV. El cristal se leyó con un fotomultiplicador de silicio (SiPM). Los eventos en el SDD que coincidieron temporalmente con una señal del SiPM se utilizaron para calibrar la escala de energía; los eventos sin coincidencia se atribuyeron a la desintegración beta del 99Tc. Este esquema permitió calibrar el detector durante la toma de datos, sin restar la contribución de la fuente de calibración del espectro. La medición duró seis días en una cámara de vacío a una presión de 10^-5 mbar, y el detector se enfrió a -10°C para reducir la corriente de fuga. Para tener en cuenta las distorsiones del espectro (autoabsorción en la fuente, retrodispersión de electrones, recolección incompleta de carga), se construyó una simulación detallada del montaje en GEANT4 con el paquete físico Penelope, optimizado para bajas energías. El fondo se midió por separado, reemplazando el sustrato con tecnecio por una oblea de silicio limpia, y se ajustó con un modelo analítico.
Tras la selección de eventos según el tiempo de subida del pulso (para suprimir efectos de borde), se incluyeron en el análisis unas 180 mil eventos. La eficiencia de selección resultó ser prácticamente independiente de la energía, como se confirmó con los picos de calibración. El espectro medido se comparó con las predicciones de diferentes modelos. Primero, se tomaron como espectro de entrada los datos de MetroBeta, obtenidos con calorímetros magnéticos metálicos, y se convolucionaron con la función de respuesta de nuestro montaje. La concordancia fue razonable, aunque formalmente el valor p es pequeño (chi-cuadrado de 477 con 344 grados de libertad), lo que indica posibles sistemáticas no consideradas en uno de los trabajos. Luego se comparó con los cálculos del modelo de capas realista (RSM) con operadores de desintegración "desnudos" y "efectivos", así como con el modelo fenomenológico BetaShape. Ambas versiones del RSM describen la forma del espectro mejor que BetaShape, y el cálculo con operadores "desnudos" da mejor concordancia en la forma, pero peor en el período de semidesintegración. Esto muestra que la forma del espectro y el período de semidesintegración proporcionan restricciones complementarias. El análisis bayesiano final con cinco parámetros libres (factores de supresión de las corrientes axial y vectorial, espesor de la fuente, amplitud del fondo y valor Q) dio factores de supresión medios q_gA = 0.40(1) y q_gV = 0.47(1). Estos valores indican una supresión significativa de ambas corrientes en comparación con los operadores "desnudos". Las predicciones del RSM con operadores efectivos dan q_gA = 0.81 y q_gV = 0.58, es decir, se desplazan en la dirección correcta, pero no reproducen completamente la supresión extraída. El valor Q determinado en el ajuste fue de 291.6(7) keV, notablemente inferior al valor de MetroBeta de 295.82(16) keV. Sin embargo, un análisis repetido con un prior gaussiano sobre el valor Q de MetroBeta dio q_gA = 0.42(1) y q_gV = 0.43(1), por lo que las conclusiones sobre la supresión de las corrientes no cambian. El ajuste final describe bien los datos: chi-cuadrado de 327 con 340 grados de libertad y un valor p de aproximadamente el 70%.
El resultado principal es la confirmación independiente de que, para describir las desintegraciones beta prohibidas, es necesario tener en cuenta la renormaliación de las corrientes débiles, y que cuantitativamente resulta más fuerte de lo que predice el modelo de capas realista actual con operadores efectivos. Esto indica una incompletitud de la descripción teórica actual y proporciona una referencia para mejorar los modelos. A diferencia de los trabajos con calorímetros criogénicos, donde la fuente está integrada en el detector y el fondo se modela, aquí el fondo se midió directamente y la calibración se realizó sin restar la contribución de la fuente de calibración. Este enfoque reduce las incertidumbres sistemáticas asociadas al modelado del fondo y hace que el método sea atractivo para estudios sistemáticos de muchos isótopos. El trabajo también demuestra que los detectores de deriva de silicio que operan a temperatura ambiente pueden competir con los calorímetros criogénicos en la precisión de la medición de la forma de los espectros beta.
El método se puede extender a otras transiciones beta prohibidas, como 36Cl y 94Nb, según planea la colaboración ASPECT-BET. Esto permitirá acumular estadísticas sobre diferentes núcleos y grados de prohibición para identificar patrones sistemáticos en la renormaliación de las corrientes débiles. Una mayor mejora de la precisión es posible gracias a fuentes más delgadas (reducción de la autoabsorción), optimización de la geometría del detector y aumento del tiempo de medición. También es importante resolver la discrepancia en el valor Q entre esta medición y los datos de MetroBeta, lo que podría indicar efectos sistemáticos no considerados en uno de los experimentos. En el plano teórico, se necesitan cálculos más avanzados de los operadores efectivos que reproduzcan la supresión extraída sin parámetros de ajuste.
Los resultados afectan directamente a la evaluación de la fiabilidad de los elementos de matriz nucleares para la doble desintegración beta sin neutrinos del 100Mo, que es uno de los principales candidatos para futuros experimentos de tonelada (CUPID, AMoRE). Una mejor comprensión de la renormaliación de las corrientes débiles reducirá las incertidumbres teóricas en las predicciones de sensibilidad de estos experimentos.
Medir los espectros de otras desintegraciones beta prohibidas (36Cl, 94Nb) con el mismo método y comparar los factores de supresión obtenidos con las predicciones teóricas. Realizar una medición independiente del valor Q del 99Tc con alta precisión para esclarecer la causa de la discrepancia con MetroBeta.
En física nuclear sigue abierta la cuestión de la magnitud y el origen de la renormaliación de las corrientes axial y vectorial en el medio nuclear. Este fenómeno se conoce como "apagamiento" (quenching) y se manifiesta en una subestimación sistemática de las probabilidades experimentales de las transiciones beta en comparación con los cálculos basados en nucleones libres. Este trabajo proporciona nuevas restricciones cuantitativas sobre el apagamiento para el caso de una transición de segundo orden prohibido, donde la contribución de la corriente vectorial también es significativa, algo poco común en otros canales. Comprender el mecanismo del apagamiento es necesario para calcular de manera fiable los elementos de matriz nucleares no solo de la doble desintegración beta, sino también de otros procesos débiles en los núcleos.
El tecnecio-99 es un isótopo artificial con un período de semidesintegración de 211 mil años. Se produce en cantidades significativas como producto de la fisión del uranio en reactores nucleares y es uno de los radionucleidos de larga vida más importantes en el combustible nuclear gastado. Su desintegración beta produce rutenio-99, que es estable.