Probing the double-beta decay of $$^{104}$$Ru through precise Q-value measurements and nuclear matrix element calculations

Abstract The Q value of the double-beta ( $$\beta ^-\beta ^-$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> ) decay of $$^{104}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mmultiscripts> <mml:mrow/> <mml:mrow/> <mml:mn>104</mml:mn> </mml:mmultiscripts> </mml:math> Ru ( $$Q_{\beta ^-\beta ^-}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>Q</mml:mi> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> -value) was determined using the JYFLTRAP double Penning trap mass spectrometer employing the Phase-Imaging Ion Cyclotron Resonance (PI-ICR) method. The obtained value of 1297.705(36) keV is in agreement with the current literature value of 1299.4(27) keV but is over 70 times more precise. As a consistency check on a 100 eV level, we also measured the precisely known $$^{102}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mmultiscripts> <mml:mrow/> <mml:mrow/> <mml:mn>102</mml:mn> </mml:mmultiscripts> </mml:math> Pd double-electron capture Q value, $$Q_\textrm{ECEC}=1203.531(92)$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>Q</mml:mi> <mml:mtext>ECEC</mml:mtext> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>1203.531</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>92</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> keV, which agrees with the literature value of 1203.47(4) keV. The measured Q value of $$^{104}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mmultiscripts> <mml:mrow/> <mml:mrow/> <mml:mn>104</mml:mn> </mml:mmultiscripts> </mml:math> Ru $$\beta ^-\beta ^-$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> decay was used in calculations of the phase-space factors of the double-beta decay. Also, the nuclear matrix elements were calculated using the microscopic interacting boson model (IBM-2) as a nuclear model and compared with other available results. With these theoretical calculations based on the measured Q value, the estimates for the two-neutrino and neutrinoless double-beta decay half-lives of $$^{104}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mmultiscripts> <mml:mrow/> <mml:mrow/> <mml:mn>104</mml:mn> </mml:mmultiscripts> </mml:math> Ru were calculated to be $$t_{1/2}^{2\nu \beta \beta }&gt;5.449\times 10^{21}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mi>β</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>&gt;</mml:mo> <mml:mn>5.449</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mn>21</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> years and $$t_{1/2}^{0\nu \beta \beta }&gt;5.775\times 10^{26}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mi>β</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>&gt;</mml:mo> <mml:mn>5.775</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mn>26</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> years, respectively. The calculated $$2\nu \beta ^-\beta ^-$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:msup> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> half-life is longer than the current experimental lower limit but short enough to be potentially within reach with future high precision experiments.