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中微子是自己的反粒子吗?多国探测器竞相探索未解之谜

2021年07月27日来源:科技日报

本报记者 刘霞

1938年3月25日晚上,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳登上从巴勒莫开往那不勒斯的轮船,之后却永远地消失了,年仅32岁。马约拉纳去哪儿了?这是世界的未解之谜,而以其名字命名的“马约拉纳”粒子——粒子与其反粒子等同的费米子是否存在,则是物理学界的一个未解之谜。

英国《自然》网站近日报道,中国、美国、意大利、日本等国已建成(或将建)多款探测器,正在(或计划)搜寻无中微子双β衰变(NLDBD)现象,以证明中微子就是马约拉纳粒子。

罕见衰变:破解大谜团的关键

1935年,诺贝尔奖获得者、物理学家玛丽亚·戈佩特·梅耶尔预测,某些原子核内的两个中子会同时衰变成两个质子,放出两个β粒子(电子),这种“双β衰变”也应该产生两个反中微子。梅耶尔的计算被证明是正确的,但这种衰变极其罕见。

4年后,美国物理学家文德尔·弗里指出,如果中微子是自身的反粒子且质量不为零,那么某一类特殊的原子核就不仅会发生产生中微子的双β衰变,还会发生正反中微子相互湮灭,即NLDBD现象。

自此,科学家们开始寻找NLDBD,以证明中微子是马约拉纳粒子。

上海交通大学物理与天文学院特别研究员韩柯对科技日报记者指出:“马约拉纳粒子可能是揭示宇宙中正反物质不对称之谜的关键,此外还能证明,与所有其他已知基本粒子(如电子或夸克)不同,中微子的质量并不来自希格斯玻色子。”

韩柯解释说,标准模型告诉我们,宇宙大爆炸应该产生了等量的正反物质,而正反物质相遇会湮灭,但现在的宇宙中正物质占绝大多数,那么反物质去哪儿了?普通的双β衰变产生两个电子和两个反中微子,不会改变正反粒子的平衡,但NLDBD只会产生两个电子,使宇宙中正物质的数量增加,从而有助于解释为什么宇宙中含有的物质比反物质多得多。

百舸争流:探测器竞相发力

为找到NLDBD,美国、意大利、日本、中国等都在对现有探测器进行升级,或计划建造新探测器。

据韩柯介绍,美国早在2015年就把NLDBD实验确立为下一代核物理实验最重要的新方向。2019年,“富集氙观测站”(EXO-200)将NLDBD的半衰期限制为3.5×1025年,目前实验组正筹划将其升级为5吨级的nEXO实验。“马约拉纳”(MAJORANA)实验也在利用高纯锗γ谱仪寻找锗-76的NLDBD。暗物质探测器LZ也加入搜寻大军之中。今年7月13—16日,美国能源部召开了NLDBD项目评审会,预期将选定一个到多个NLDBD实验进行支持,总经费预算达2.5亿美元。

在意大利,“稀有事件的低温地下观测站”(CUORE)利用二氧化碲晶体来寻找NLDBD,日本则以KamLAND-Zen实验为核心。

韩柯指出:“中国也有多款探测器正在或将开展此类探索。目前正在建造的中国锦屏地下实验室为世界上最深的地下实验室,是开展NLDBD实验的理想场所。由上海交通大学牵头的PandaX合作组,利用高压气体、液体时间投影室技术寻找氙-136的NLDBD。目前PandaX-4T液氙探测器已经开始运行,可利用探测器中约350公斤的氙-136来寻找NLDBD。由清华大学牵头的“中国暗物质实验”(CDEX)得出锗-76的NLDBD半衰期下限为6.4×1022年,是国内首个锗-76的NLDBD结果。由复旦大学主导的CUPID中国合作组和华中师范大学主导的NvDex实验将分别利用光—热双读出低温量能器技术和高压气体时间投影室技术在锦屏地下实验室寻找NLDBD。”

“中国科学院高能物理研究所领导的江门中微子实验将在广东省江门市建成一个两万吨量级的大型液体闪烁体探测器,相关基础设施与探测器建设正如火如荼地开展。合作组已经开展相关预研,考虑在其主要物理目标完成之后开展NLDBD研究。”韩柯进一步指出。

国际合作:协同探索有望获佳绩

韩柯强调说:“寻找NLDBD也离不开国际合作!”

据他介绍,GERDA、MAJORANA和CDEX联合组建了LEGEND合作组,计划开展吨量级锗-76的NLDBD实验。LEGEND合作组第一阶段LEGEND-200实验采用200公斤锗-76晶体,在意大利展开研究;第二阶段LEGEND-1000的吨级实验预期半衰期灵敏度达1028年以上,目前实验地点待定。

全世界主要科研大国的科学家都加强了对这一领域的研究。韩柯表示:“未来一二十年内,这一领域的主要目标是发现NLDBD或将其半衰期对应的马约拉纳有效质量降低到15毫电子伏特(meV)量级。”

LEGEND-200实验的水箱,低温恒温器使锗-76保持低温。图片来源:《自然》网站