物理學(xué)家正在接近了解中微子的本質(zhì)，或許也可能回答關(guān)于宇宙起源的基本物理問題

2022年4月6日,意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室和美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室 (LBL)同步發(fā)布無中微子雙貝塔衰變(0nDBD)國際合作實(shí)驗(yàn)(CUORE：Cryogenic Underground Observatory for Rare Events)對中微子的奇異屬性研究的最新進(jìn)展。CUORE最新結(jié)果對所謂的中微子馬約拉納屬性給出了最嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)限制之一，成果在《自然》主刊（Nature）在線發(fā)表。

CUORE合作組由來自意大利、美國、中國、西班牙、法國等國家的100多位科學(xué)家組成。復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所馬余剛院士團(tuán)隊(duì)是該國際合作實(shí)驗(yàn)的成員之一，團(tuán)隊(duì)早在2006年就加入CUORE合作組，承擔(dān)了主探測器材料Te、TeO2粉末以及硝酸、鹽酸等溶劑材料的樣品純度的高精度檢測，隨后參與了CUORE-0、CUORE實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場安裝、調(diào)試等工作，并參與后續(xù)長達(dá)近十年的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工作。

CUORE實(shí)驗(yàn)是科學(xué)家們在極深的地下通過處于極低溫環(huán)境的晶體來研究幽靈似的中微子的特性，希望尋找宇宙起源的秘密。該實(shí)驗(yàn)位于意大利中部亞平寧山脈最高的主峰之下1500多米的格蘭薩索國家地下實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室隸屬于意大利國家核物理研究院，是世界上規(guī)模最大的地下實(shí)驗(yàn)室之一。實(shí)驗(yàn)室上1500米的巖石屏蔽使宇宙射線的強(qiáng)度衰減了100萬倍，這給尋找極端稀有事件提供了低本底的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。CUORE實(shí)驗(yàn)的目的是尋找無中微子雙貝塔衰變，從而驗(yàn)證中微子的馬約拉納特性，也就是說中微子是否是其自身的反粒子，這是粒子物理與核物理領(lǐng)域的重大科學(xué)問題之一，有可能幫助科學(xué)家回答為什么宇宙中的正物質(zhì)遠(yuǎn)比反物質(zhì)多，這是人類能夠在宇宙中存在的根本原因之一。

CUORE實(shí)驗(yàn)通過206公斤極高純度的130Te晶體來尋找可能發(fā)生的無中微子雙貝特衰變。0nDBD是地球?qū)嶒?yàn)室中探索中微子馬約拉納屬性的唯一可行方法，即便這種稀有過程發(fā)生，這種衰變的半衰期也至少要比宇宙的壽命長一億億倍。如果0nDBD發(fā)生，將給出馬約拉納中微子的絕對質(zhì)量，從而得到超出粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的確鑿證據(jù)，由于此過程中沒有中微子發(fā)射，也將直接打破標(biāo)準(zhǔn)模型中的輕子數(shù)守恒定律。

CUORE探測器由19個(gè)極高純度的TeO2晶體塔組成，每個(gè)晶體塔由52個(gè)晶體構(gòu)成，988塊TeO2晶體總重741公斤；另外CUORE合作組還設(shè)計(jì)建造了能夠冷卻19個(gè)晶體塔至絕對零度附近(10mK)的低溫器。該低溫器已于2014年9月份試運(yùn)行，成功把1立方米的體積冷卻到6mk,創(chuàng)造了宇宙中最冷的立方體。絕對零度附近的TeO2晶體是一個(gè)具有極高靈敏度的量熱探測器，實(shí)驗(yàn)中通過TeO2晶體極其細(xì)小的溫度變化(mK)來測量單次核衰變釋放出來的能量。

位于意大利格蘭薩索國家地下實(shí)驗(yàn)室的CUORE探測器

CUORE合作組此次發(fā)布的最新結(jié)果是CUORE實(shí)驗(yàn)的首個(gè)噸×年（1噸晶體測量1年）累積數(shù)據(jù)。目前的結(jié)果沒有觀測到無中微子雙貝塔衰變，但對130Te無中微子雙貝塔衰變的半衰期以及馬約拉納中微子質(zhì)量給出了最嚴(yán)格限制。從目前的結(jié)果看，即使存在無中微子雙貝塔衰變，CUORE的靈敏度還可能不足以探測到它。CUORE實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了晶體量熱器探測技術(shù)的創(chuàng)新，特別是為下一代更高分辨的實(shí)驗(yàn)建立基礎(chǔ)。實(shí)際上，CUORE實(shí)驗(yàn)的升級版CUPID(CUORE Upgrade with Particle Identification)已經(jīng)在運(yùn)行。CUPID的探測靈敏度將比CUORE提高約10倍，將給中微子馬約拉納屬性研究帶來希望。

當(dāng)前，國內(nèi)也在積極推動無中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)研究，依托中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)展包括高純鍺、晶體量熱器、高壓氣體和液體時(shí)間投影室等多種實(shí)驗(yàn)方案。其中由復(fù)旦大學(xué)牽頭, 聯(lián)合清華大學(xué)、北京師范大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)等多家單位合作成立了CUPID-China合作組，共同發(fā)展基于100Mo同位素的新一代低溫晶體量熱器實(shí)驗(yàn)技術(shù)，研發(fā)鉬酸鋰((Li2MoO4)閃爍晶體探測器，開展無中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)探測研究。CUPID-China推動的實(shí)驗(yàn)采用新一代的光熱雙讀出技術(shù)，靈敏度比CUORE實(shí)驗(yàn)高很多，將利用國內(nèi)在晶體生長技術(shù)方面的優(yōu)勢，在錦屏實(shí)驗(yàn)室開展無中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)探測。實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)將對我國在中微子的基本屬性、正反物質(zhì)對稱性及宇宙起源等基礎(chǔ)前沿研究領(lǐng)域的發(fā)展起到重要促進(jìn)作用。（來源：復(fù)旦大學(xué)）