Калибровка линейки для невидимого: как распад технеция проверяет ядерные модели ✎

Оригинал: "Measurement of the $$^{99}$$Tc $$β$$ spectrum with Silicon Drift Detectors"
arXiv:2609.05640v1 · 2026-09-04 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Кремниевый детектор размером с ноготь измерил, насколько слабее ведут себя частицы внутри атомного ядра, и дал новые ориентиры для поиска редчайшего распада.

Линейка, которой меряют невидимое, должна быть откалибрована по чему-то осязаемому. В физике частиц такой линейкой служат ядерные модели, а осязаемым ориентиром — распад технеция-99. Это искусственный изотоп, который живёт 211 тысяч лет и распадается, испуская электрон. Его распад считается «запрещённым»: частице трудно покинуть ядро из-за сложного танца угловых моментов, и эта трудность делает процесс сверхчувствительным к деталям теории.

Технеций-99 получают в реакторах как побочный продукт деления урана. Крошечная капля раствора, высушенная на кремниевой пластинке, дала источник активностью всего 10 беккерелей — примерно один распад в десять секунд.

Эксперимент напоминал прослушивание тихого шороха в шумной комнате. Кремниевый дрейфовый детектор толщиной в миллиметр ловил электроны от распада, а рядом лежал кристалл с лютецием, который испускал свет строго определённых энергий. Совпадения сигналов от кристалла и детектора работали как камертон: они позволяли калибровать шкалу энергий прямо во время измерения, не вычитая калибровочный источник из данных. Шесть суток в вакуумной камере при минус десяти градусах — и набралось 180 тысяч событий.

Сравнение с теорией выявило нестыковку. Расчёты в рамках реалистичной оболочечной модели описывают форму спектра неплохо, но предсказывают меньшее подавление слабых токов, чем показывают данные. Байесовский фит, который одновременно учитывал форму спектра и известный период полураспада, дал факторы подавления 0,40 для аксиального тока и 0,47 для векторного. Это значит, что частицы внутри ядра ведут себя заметно слабее, чем свободные.

Раньше такие измерения делали на криогенных калориметрах, где источник встроен в детектор и фон приходится моделировать. Здесь фон измерили напрямую, просто заменив подложку на чистую. Это снижает систематические ошибки.

Полученные числа — не просто абстрактные коэффициенты. Они напрямую влияют на планы поиска безнейтринного двойного бета-распада в молибдене-100, одном из главных кандидатов для будущих тонно-масштабных экспериментов. Если модели завышают силу взаимодействия, то предсказания чувствительности таких установок придётся пересмотреть. Линейка, откалиброванная по технецию, помогает не обмануться в измерениях невидимого.

Технеций-99 — искусственный изотоп с периодом полураспада 211 тысяч лет. Он образуется в значительных количествах как продукт деления урана в ядерных реакторах и является одним из основных долгоживущих радионуклидов в отработавшем ядерном топливе. Его бета-распад идёт в рутений-99, который стабилен.

M(E_{\mathrm{out}}) = \int_0^Q P(E_{\mathrm{out}}|E_{\mathrm{in}}) \cdot \epsilon(E_{\mathrm{in}}) \cdot T(E_{\mathrm{in}}) \, dE_{\mathrm{in}} + B(E_{\mathrm{out}})
Измеренный спектр равен свёртке теоретического спектра с функцией отклика детектора, умноженной на эффективность регистрации, плюс фон.
\log L(p) = -\frac{1}{2} \left[ \sum_{i=1}^{N_{\mathrm{bins}}} \left( \frac{D_i - M(p)_i}{\sigma_i^D} \right)^2 + \left( \frac{T_{1/2}^D - T_{1/2}^M(p)}{\sigma_{T_{1/2}}^D} \right)^2 \right]
Сумма штрафов за несоответствие формы спектра и периода полураспада экспериментальным данным.
q_{g_A} = \frac{g_A}{g_A^{\mathrm{ref}}}, \quad q_{g_V} = \frac{g_V}{g_V^{\mathrm{ref}}}
Факторы подавления показывают, во сколько раз эффективные константы связи в ядре меньше свободных значений (g_A^ref = 1.2723, g_V^ref = 1).
Понятия
бета-распад