A Systematic Study of Two-Neutrino Double Electron Capture

被引：4

作者：

Nitescu, Ovidiu ^{[1
,2
,3
]}

Ghinescu, Stefan ^{[2
,3
,4
]}

Stoica, Sabin ^{[2
]}

Simkovic, Fedor ^{[1
,5
]}

机构：

[1] Comenius Univ, Fac Math Phys & Informat, Bratislava 84248, Slovakia

[2] Int Ctr Adv Training & Res Phys, POB MG-12, RO-077125 Magurele, Romania

[3] Horia Hulubei Natl Inst Phys & Nucl Engn, 30 Reactorului,POB MG-6, RO-077125 Magurele, Romania

[4] Univ Bucharest, Dept Phys, 405 Atomistilor,POBMG-11, RO-077125 Magurele, Romania

[5] Czech Tech Univ, Inst Expt & Appl Phys, Prague 11000, Czech Republic

来源：

UNIVERSE | 2024年 / 10卷 / 02期

关键词：

double beta decay; two-neutrino double electron capture; phase-space factor; effective nuclear matrix elements; WEAK-INTERACTION CONSTANT; MAJORANA CP-VIOLATION; TIME-VARIATION; BETA; DECAY; 2-BETA(+); MODES;

D O I：

10.3390/universe10020098

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

In this paper, we update the phase-space factors for all two-neutrino double electron capture processes. The Dirac-Hartree-Fock-Slater self-consistent method is employed to describe the bound states of captured electrons, enabling a more realistic treatment of atomic screening and more precise binding energies of the captured electrons compared to previous investigations. Additionally, we consider all s-wave electrons available for capture, expanding beyond the K and L1 orbitals considered in prior studies. For light atoms, the increase associated with additional captures compensates for the decrease in decay rate caused by the more precise atomic screening. However, for medium and heavy atoms, an increase in the decay rate, up to 10% for the heaviest atoms, is observed due to the combination of these two effects. In the systematic analysis, we also include capture fractions for the first few dominant partial captures. Our precise model enables a close examination of low Q-value double electron capture in 152Gd, 164Er, and 242Cm, where partial KK captures are energetically forbidden. Finally, with the updated phase-space values, we recalculate the effective nuclear matrix elements and compare their spread with those associated with 2 nu beta-beta- decay.

引用

页数：14

共 70 条

[1] Search for the Majorana Nature of Neutrinos in the Inverted Mass Ordering Region with KamLAND-Zen [J].

Abe, S. ;

Asami, S. ;

Eizuka, M. ;

Futagi, S. ;

Gando, A. ;

Gando, Y. ;

Gima, T. ;

Goto, A. ;

Hachiya, T. ;

Hata, K. ;

Hayashida, S. ;

Hosokawa, K. ;

Ichimura, K. ;

Ieki, S. ;

Ikeda, H. ;

Inoue, K. ;

Ishidoshiro, K. ;

Kamei, Y. ;

Kawada, N. ;

Kishimoto, Y. ;

Koga, M. ;

Kurasawa, M. ;

Maemura, N. ;

Mitsui, T. ;

Miyake, H. ;

Nakahata, T. ;

Nakamura, K. ;

Nakamura, R. ;

Ozaki, H. ;

Sakai, T. ;

Sambonsugi, H. ;

Shimizu, I. ;

Shirai, J. ;

Shiraishi, K. ;

Suzuki, A. ;

Suzuki, Y. ;

Takeuchi, A. ;

Tamae, K. ;

Ueshima, K. ;

Watanabe, H. ;

Yoshida, Y. ;

Obara, S. ;

Ichikawa, A. K. ;

Chernyak, D. ;

Kozlov, A. ;

Nakamura, K. Z. ;

Yoshida, S. ;

Takemoto, Y. ;

Umehara, S. ;

Fushimi, K. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2023, 130 (05)

[2] New Direct Limit on Neutrinoless Double Beta Decay Half-Life of 128Te with CUORE [J].

Adams, D. Q. ;

Alduino, C. ;

Alfonso, K. ;

Avignone, F. T., III ;

Azzolini, O. ;

Bari, G. ;

Bellini, F. ;

Benato, G. ;

Beretta, M. ;

Biassoni, M. ;

Branca, A. ;

Brofferio, C. ;

Bucci, C. ;

Camilleri, J. ;

Caminata, A. ;

Campani, A. ;

Canonica, L. ;

Cao, X. G. ;

Capelli, S. ;

Capelli, C. ;

Cappelli, L. ;

Cardani, L. ;

Carniti, P. ;

Casali, N. ;

Celi, E. ;

Chiesa, D. ;

Clemenza, M. ;

Copello, S. ;

Cremonesi, O. ;

Creswick, R. J. ;

D'Addabbo, A. ;

Dafinei, I. ;

Del Corso, F. ;

Dell'Oro, S. ;

Di Domizio, S. ;

Di Lorenzo, S. ;

Dompe, V. ;

Fang, D. Q. ;

Fantini, G. ;

Faverzani, M. ;

Ferri, E. ;

Ferroni, F. ;

Fiorini, E. ;

Franceschi, M. A. ;

Freedman, S. J. ;

Fu, S. H. ;

Fujikawa, B. K. ;

Ghislandi, S. ;

Giachero, A. ;

Gianvecchio, A. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2022, 129 (22)

[3] Final Results of GERDA on the Search for Neutrinoless Double-β Decay [J].

Agostini, M. ;

Araujo, G. R. ;

Bakalyarov, A. M. ;

Balata, M. ;

Barabanov, I. ;

Baudis, L. ;

Bauer, C. ;

Bellotti, E. ;

Belogurov, S. ;

Bettini, A. ;

Bezrukov, L. ;

Biancacci, V. ;

Borowicz, D. ;

Bossio, E. ;

Bothe, V. ;

Brudanin, V. ;

Brugnera, R. ;

Caldwell, A. ;

Cattadori, C. ;

Chernogorov, A. ;

Comellato, T. ;

D'Andrea, V. ;

Demidova, E. V. ;

Di Marco, N. ;

Doroshkevich, E. ;

Fischer, F. ;

Fomina, M. ;

Gangapshev, A. ;

Garfagnini, A. ;

Gooch, C. ;

Grabmayr, P. ;

Gurentsov, V. ;

Gusev, K. ;

Hakenmueller, J. ;

Hemmer, S. ;

Hiller, R. ;

Hofmann, W. ;

Huang, J. ;

Hult, M. ;

Inzhechik, L. V. ;

Csathy, J. Janicsko ;

Jochum, J. ;

Junker, M. ;

Kazalov, V. ;

Kermaidic, Y. ;

Khushbakht, H. ;

Kihm, T. ;

Kirpichnikov, I. V. ;

Klimenko, A. ;

Kneissl, R. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2020, 125 (25)

[4] Search for light exotic fermions in double-beta decays [J].

Agostini, Matteo ;

Bossio, Elisabetta ;

Ibarra, Alejandro ;

Marcano, Xabier .

PHYSICS LETTERS B, 2021, 815

[5] Search for Neutrinoless Double-β Decay with the Complete EXO-200 Dataset [J].

Anton, G. ;

Badhrees, I ;

Barbeau, P. S. ;

Beck, D. ;

Belov, V ;

Bhatta, T. ;

Breidenbach, M. ;

Brunner, T. ;

Cao, G. F. ;

Cen, W. R. ;

Chambers, C. ;

Cleveland, B. ;

Coon, M. ;

Craycraft, A. ;

Daniels, T. ;

Danilov, M. ;

Darroch, L. ;

Daugherty, S. J. ;

Davis, J. ;

Delaquis, S. ;

Mesrobian-Kabakian, A. Der ;

DeVoe, R. ;

Dilling, J. ;

Dolgolenko, A. ;

Dolinski, M. J. ;

Echevers, J. ;

Fairbank, W., Jr. ;

Fairbank, D. ;

Farine, J. ;

Feyzbakhsh, S. ;

Fierlinger, P. ;

Fudenberg, D. ;

Gautam, P. ;

Gornea, R. ;

Gratta, G. ;

Hall, C. ;

Hansen, E., V ;

Hoessl, J. ;

Hufschmidt, P. ;

Hughes, M. ;

Iverson, A. ;

Jamil, A. ;

Jessiman, C. ;

Jewell, M. J. ;

Johnson, A. ;

Karelin, A. ;

Kaufman, L. J. ;

Koffas, T. ;

Krucken, R. ;

Kuchenkov, A. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2019, 123 (16)

[6] Double-weak decays of 124Xe and 136Xe in the XENON1T and XENONnT experiments [J].

Aprile, E. ;

Abe, K. ;

Agostini, F. ;

Maouloud, S. Ahmed ;

Alfonsi, M. ;

Althueser, L. ;

Andrieu, B. ;

Angelino, E. ;

Angevaare, J. R. ;

Antochi, V. C. ;

Martin, D. Anton ;

Arneodo, F. ;

Baudis, L. ;

Baxter, A. L. ;

Bellagamba, L. ;

Biondi, R. ;

Bismark, A. ;

Brown, A. ;

Bruenner, S. ;

Bruno, G. ;

Budnik, R. ;

Cai, C. ;

Capelli, C. ;

Cardoso, J. M. R. ;

Cichon, D. ;

Clark, M. ;

Colijn, A. P. ;

Conrad, J. ;

Cuenca-Garcia, J. J. ;

Cussonneau, J. P. ;

D'Andrea, V. ;

Decowski, M. P. ;

Di Gangi, P. ;

Di Pede, S. ;

Di Giovanni, A. ;

Di Stefano, R. ;

Diglio, S. ;

Eitel, K. ;

Elykov, A. ;

Farrell, S. ;

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Fischer, H. ;

Fulgione, W. ;

Gaemers, P. ;

Gaior, R. ;

Rosso, A. Gallo ;

Galloway, M. ;

Gao, F. ;

Glade-Beucke, R. ;

Grandi, L. .

PHYSICAL REVIEW C, 2022, 106 (02)

[7] Observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T [J].

Aprile, E. ;

Aalbers, J. ;

Agostini, F. ;

Alfonsi, M. ;

Althueser, L. ;

Amaro, F. D. ;

Anthony, M. ;

Antochi, V. C. ;

Arneodo, F. ;

Baudis, L. ;

Bauermeister, B. ;

Benabderrahmane, L. ;

Berger, T. ;

Breur, P. A. ;

Brown, A. ;

Brown, E. ;

Bruenner, S. ;

Bruno, G. ;

Budnik, R. ;

Capelli, C. ;

Cardoso, J. M. R. ;

Cichon, D. ;

Coderre, D. ;

Colijn, A. P. ;

Conrad, J. ;

Cussonneau, J. P. ;

Decowski, M. P. ;

de Perio, P. ;

Di Gangi, P. ;

Di Giovanni, A. ;

Diglio, S. ;

Elykov, A. ;

Eurin, G. ;

Fei, J. ;

Ferella, A. D. ;

Fieguth, A. ;

Fulgione, W. ;

Rosso, A. Gallo ;

Galloway, M. ;

Gao, F. ;

Garbini, M. ;

Grandi, L. ;

Greene, Z. ;

Hasterok, C. ;

Hogenbirk, E. ;

Howlett, J. ;

Iacovacci, M. ;

Itay, R. ;

Joerg, F. .

NATURE, 2019, 568 (7753) :532-+

[8] Limits on different majoron decay modes of 100Mo and 82Se for neutrinoless double beta decays in the NEMO-3 experiment [J].

Arnold, R ;

Augier, C ;

Baker, J ;

Barabash, AS ;

Brudanin, V ;

Caffrey, AJ ;

Caurier, E ;

Egorov, V ;

Errahmane, K ;

Etienvre, AI ;

Guyonnet, JL ;

Hubert, F ;

Hubert, P ;

Jollet, C ;

Jullian, S ;

King, S ;

Kochetov, O ;

Konovalov, S ;

Kovalenko, V ;

Lalanne, D ;

Leccia, F ;

Longuemare, C ;

Lutter, G ;

Marquet, C ;

Mauger, F ;

Nowacki, F ;

Ohsumi, H ;

Piquemal, F ;

Reyss, JL ;

Saakyan, R ;

Sarazin, X ;

Shitov, Y ;

Simard, L ;

Simkovic, F ;

Smolnikov, A ;

Stekl, I ;

Suhonen, J ;

Sutton, CS ;

Szklarz, G ;

Timkin, V ;

Thomas, J ;

Tretyak, V ;

Umatov, V ;

Vála, L ;

Vanyushin, I ;

Vasilyev, V ;

Vorobel, V ;

Vylov, T .

NUCLEAR PHYSICS A, 2006, 765 (3-4) :483-494

[9]

Arnold R, 2019, EUR PHYS J C, V79, DOI 10.1140/epjc/s10052-019-6948-4

[10] Search for Neutrinoless Quadruple-β Decay of 150Nd with the NEMO-3 Detector [J].

Arnold, R. ;

Augier, C. ;

Barabash, A. S. ;

Basharina-Freshville, A. ;

Blondel, S. ;

Blot, S. ;

Bongrand, M. ;

Boursette, D. ;

Brudanin, V. ;

Busto, J. ;

Caffrey, A. J. ;

Calvez, S. ;

Cascella, M. ;

Cerna, C. ;

Cesar, J. P. ;

Chapon, A. ;

Chauveau, E. ;

Chopra, A. ;

Dawson, L. ;

Duchesneau, D. ;

Durand, D. ;

Egorov, V. ;

Eurin, G. ;

Evans, J. J. ;

Fajt, L. ;

Filosofov, D. ;

Flack, R. ;

Garrido, X. ;

Gomez, H. ;

Guillon, B. ;

Guzowski, P. ;

Hodak, R. ;

Huber, A. ;

Hubert, P. ;

Hugon, C. ;

Jullian, S. ;

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Kochetov, O. ;

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Lalanne, D. ;

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Le Noblet, T. ;

Liptak, Z. ;

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Lutter, G. ;

Macko, M. ;

Macolino, C. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2017, 119 (04)

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[1] Search for the Majorana Nature of Neutrinos in the Inverted Mass Ordering Region with KamLAND-Zen [J].

Abe, S. ;

Asami, S. ;

Eizuka, M. ;

Futagi, S. ;

Gando, A. ;

Gando, Y. ;

Gima, T. ;

Goto, A. ;

Hachiya, T. ;

Hata, K. ;

Hayashida, S. ;

Hosokawa, K. ;

Ichimura, K. ;

Ieki, S. ;

Ikeda, H. ;

Inoue, K. ;

Ishidoshiro, K. ;

Kamei, Y. ;

Kawada, N. ;

Kishimoto, Y. ;

Koga, M. ;

Kurasawa, M. ;

Maemura, N. ;

Mitsui, T. ;

Miyake, H. ;

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Sambonsugi, H. ;

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Shirai, J. ;

Shiraishi, K. ;

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Suzuki, Y. ;

Takeuchi, A. ;

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Ichikawa, A. K. ;

Chernyak, D. ;

Kozlov, A. ;

Nakamura, K. Z. ;

Yoshida, S. ;

Takemoto, Y. ;

Umehara, S. ;

Fushimi, K. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2023, 130 (05)

[2] New Direct Limit on Neutrinoless Double Beta Decay Half-Life of 128Te with CUORE [J].

Adams, D. Q. ;

Alduino, C. ;

Alfonso, K. ;

Avignone, F. T., III ;

Azzolini, O. ;

Bari, G. ;

Bellini, F. ;

Benato, G. ;

Beretta, M. ;

Biassoni, M. ;

Branca, A. ;

Brofferio, C. ;

Bucci, C. ;

Camilleri, J. ;

Caminata, A. ;

Campani, A. ;

Canonica, L. ;

Cao, X. G. ;

Capelli, S. ;

Capelli, C. ;

Cappelli, L. ;

Cardani, L. ;

Carniti, P. ;

Casali, N. ;

Celi, E. ;

Chiesa, D. ;

Clemenza, M. ;

Copello, S. ;

Cremonesi, O. ;

Creswick, R. J. ;

D'Addabbo, A. ;

Dafinei, I. ;

Del Corso, F. ;

Dell'Oro, S. ;

Di Domizio, S. ;

Di Lorenzo, S. ;

Dompe, V. ;

Fang, D. Q. ;

Fantini, G. ;

Faverzani, M. ;

Ferri, E. ;

Ferroni, F. ;

Fiorini, E. ;

Franceschi, M. A. ;

Freedman, S. J. ;

Fu, S. H. ;

Fujikawa, B. K. ;

Ghislandi, S. ;

Giachero, A. ;

Gianvecchio, A. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2022, 129 (22)

[3] Final Results of GERDA on the Search for Neutrinoless Double-β Decay [J].

Agostini, M. ;

Araujo, G. R. ;

Bakalyarov, A. M. ;

Balata, M. ;

Barabanov, I. ;

Baudis, L. ;

Bauer, C. ;

Bellotti, E. ;

Belogurov, S. ;

Bettini, A. ;

Bezrukov, L. ;

Biancacci, V. ;

Borowicz, D. ;

Bossio, E. ;

Bothe, V. ;

Brudanin, V. ;

Brugnera, R. ;

Caldwell, A. ;

Cattadori, C. ;

Chernogorov, A. ;

Comellato, T. ;

D'Andrea, V. ;

Demidova, E. V. ;

Di Marco, N. ;

Doroshkevich, E. ;

Fischer, F. ;

Fomina, M. ;

Gangapshev, A. ;

Garfagnini, A. ;

Gooch, C. ;

Grabmayr, P. ;

Gurentsov, V. ;

Gusev, K. ;

Hakenmueller, J. ;

Hemmer, S. ;

Hiller, R. ;

Hofmann, W. ;

Huang, J. ;

Hult, M. ;

Inzhechik, L. V. ;

Csathy, J. Janicsko ;

Jochum, J. ;

Junker, M. ;

Kazalov, V. ;

Kermaidic, Y. ;

Khushbakht, H. ;

Kihm, T. ;

Kirpichnikov, I. V. ;

Klimenko, A. ;

Kneissl, R. .

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[4] Search for light exotic fermions in double-beta decays [J].

Agostini, Matteo ;

Bossio, Elisabetta ;

Ibarra, Alejandro ;

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[5] Search for Neutrinoless Double-β Decay with the Complete EXO-200 Dataset [J].

Anton, G. ;

Badhrees, I ;

Barbeau, P. S. ;

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Belov, V ;

Bhatta, T. ;

Breidenbach, M. ;

Brunner, T. ;

Cao, G. F. ;

Cen, W. R. ;

Chambers, C. ;

Cleveland, B. ;

Coon, M. ;

Craycraft, A. ;

Daniels, T. ;

Danilov, M. ;

Darroch, L. ;

Daugherty, S. J. ;

Davis, J. ;

Delaquis, S. ;

Mesrobian-Kabakian, A. Der ;

DeVoe, R. ;

Dilling, J. ;

Dolgolenko, A. ;

Dolinski, M. J. ;

Echevers, J. ;

Fairbank, W., Jr. ;

Fairbank, D. ;

Farine, J. ;

Feyzbakhsh, S. ;

Fierlinger, P. ;

Fudenberg, D. ;

Gautam, P. ;

Gornea, R. ;

Gratta, G. ;

Hall, C. ;

Hansen, E., V ;

Hoessl, J. ;

Hufschmidt, P. ;

Hughes, M. ;

Iverson, A. ;

Jamil, A. ;

Jessiman, C. ;

Jewell, M. J. ;

Johnson, A. ;

Karelin, A. ;

Kaufman, L. J. ;

Koffas, T. ;

Krucken, R. ;

Kuchenkov, A. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2019, 123 (16)

[6] Double-weak decays of 124Xe and 136Xe in the XENON1T and XENONnT experiments [J].

Aprile, E. ;

Abe, K. ;

Agostini, F. ;

Maouloud, S. Ahmed ;

Alfonsi, M. ;

Althueser, L. ;

Andrieu, B. ;

Angelino, E. ;

Angevaare, J. R. ;

Antochi, V. C. ;

Martin, D. Anton ;

Arneodo, F. ;

Baudis, L. ;

Baxter, A. L. ;

Bellagamba, L. ;

Biondi, R. ;

Bismark, A. ;

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Bruno, G. ;

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Di Stefano, R. ;

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Gaemers, P. ;

Gaior, R. ;

Rosso, A. Gallo ;

Galloway, M. ;

Gao, F. ;

Glade-Beucke, R. ;

Grandi, L. .

PHYSICAL REVIEW C, 2022, 106 (02)

[7] Observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T [J].

Aprile, E. ;

Aalbers, J. ;

Agostini, F. ;

Alfonsi, M. ;

Althueser, L. ;

Amaro, F. D. ;

Anthony, M. ;

Antochi, V. C. ;

Arneodo, F. ;

Baudis, L. ;

Bauermeister, B. ;

Benabderrahmane, L. ;

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Bruenner, S. ;

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Capelli, C. ;

Cardoso, J. M. R. ;

Cichon, D. ;

Coderre, D. ;

Colijn, A. P. ;

Conrad, J. ;

Cussonneau, J. P. ;

Decowski, M. P. ;

de Perio, P. ;

Di Gangi, P. ;

Di Giovanni, A. ;

Diglio, S. ;

Elykov, A. ;

Eurin, G. ;

Fei, J. ;

Ferella, A. D. ;

Fieguth, A. ;

Fulgione, W. ;

Rosso, A. Gallo ;

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Garbini, M. ;

Grandi, L. ;

Greene, Z. ;

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Hogenbirk, E. ;

Howlett, J. ;

Iacovacci, M. ;

Itay, R. ;

Joerg, F. .

NATURE, 2019, 568 (7753) :532-+

[8] Limits on different majoron decay modes of 100Mo and 82Se for neutrinoless double beta decays in the NEMO-3 experiment [J].

Arnold, R ;

Augier, C ;

Baker, J ;

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Tretyak, V ;

Umatov, V ;

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Vanyushin, I ;

Vasilyev, V ;

Vorobel, V ;

Vylov, T .

NUCLEAR PHYSICS A, 2006, 765 (3-4) :483-494

[9]

Arnold R, 2019, EUR PHYS J C, V79, DOI 10.1140/epjc/s10052-019-6948-4

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Blondel, S. ;

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Bongrand, M. ;

Boursette, D. ;

Brudanin, V. ;

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Guzowski, P. ;

Hodak, R. ;

Huber, A. ;

Hubert, P. ;

Hugon, C. ;

Jullian, S. ;

Klimenko, A. ;

Kochetov, O. ;

Konovalov, S. I. ;

Kovalenko, V. ;

Lalanne, D. ;

Lang, K. ;

Lemiere, Y. ;

Le Noblet, T. ;

Liptak, Z. ;

Liu, X. R. ;

Loaiza, P. ;

Lutter, G. ;

Macko, M. ;

Macolino, C. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2017, 119 (04)

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