4月6日，意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LNGS）和美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LBL)同步發(fā)布無(wú)中微子雙貝塔衰變(0nDBD)國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)(CUORE)，對(duì)中微子奇異屬性研究的最新進(jìn)展。CUORE的最新結(jié)果對(duì)“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。同日，該成果在《自然》發(fā)表并配發(fā)新聞?dòng)^察。
CUORE實(shí)驗(yàn)是科學(xué)家在極深的地下，通過(guò)處于極低溫環(huán)境的晶體來(lái)研究中微子特性，希望以此找到宇宙起源的秘密。該實(shí)驗(yàn)位于意大利中部亞平寧山脈主峰之下1500多米深處，實(shí)驗(yàn)室上方的巖石屏蔽使宇宙射線強(qiáng)度衰減100萬(wàn)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。
格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室CUORE探測(cè)器 受訪者供圖
“CUORE實(shí)驗(yàn)的目的是尋找無(wú)中微子雙貝塔衰變，從而驗(yàn)證中微子的馬約拉納特性。”中科院院士、復(fù)旦大學(xué)教授馬余剛對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，“中微子是否其自身的反粒子，是粒子物理與核物理領(lǐng)域的重大科學(xué)問(wèn)題之一，有可能幫助科學(xué)家回答為什么宇宙中正物質(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。”
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，即便這種罕見(jiàn)過(guò)程發(fā)生，其衰變的半衰期至少比宇宙壽命長(zhǎng)一億億倍。該衰變將給出馬約拉納中微子的絕對(duì)質(zhì)量，從而得到超出粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的確鑿證據(jù)，由于此過(guò)程中沒(méi)有中微子發(fā)射，這也將直接打破標(biāo)準(zhǔn)模型中的輕子數(shù)守恒定律。
CUORE實(shí)驗(yàn)通過(guò)206公斤極高純度的130Te晶體來(lái)尋找可能發(fā)生的無(wú)中微子雙貝塔衰變。絕對(duì)零度附近的二氧化碲（TeO2）晶體具有極高熱靈敏度，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)TeO2晶體極其細(xì)小的溫度變化來(lái)測(cè)量單次核衰變釋放出來(lái)的能量。該探測(cè)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。
此外，CUORE合作組還建造了能將晶體塔冷卻至絕對(duì)零度附近的低溫器。該低溫器于2014年9月份試運(yùn)行，成功把1立方米的體積冷卻到6m K（0.006K）,創(chuàng)造了宇宙中最冷的立方體。
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?年累積數(shù)據(jù)（1噸晶體測(cè)量1年的數(shù)據(jù)）。目前沒(méi)有觀測(cè)到無(wú)中微子雙貝塔衰變，但給出了130Te無(wú)中微子雙貝塔衰變的半衰期下限為2.2X1025年，這是迄今最嚴(yán)格限制（在90%置信區(qū)間內(nèi)）。
“從目前的結(jié)果看，即使存在無(wú)中微子雙貝塔衰變，CUORE的靈敏度可能還不足以探測(cè)到它。但CUORE實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了晶體量熱器探測(cè)技術(shù)創(chuàng)新，研制的低溫恒溫器是目前宇宙中最冷立方體，為下一代更高分辨率實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。”馬余剛說(shuō)。
實(shí)際上，CUORE實(shí)驗(yàn)的升級(jí)版CUPID已經(jīng)在運(yùn)行。CUPID的探測(cè)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(lái)希望。
CUORE合作組部分科學(xué)家（左一馬余剛，左二沈文慶） 受訪者供圖
CUORE合作組由來(lái)自意大利、美國(guó)、中國(guó)、西班牙、法國(guó)等國(guó)家的100多位科學(xué)家組成，中國(guó)的參與單位有復(fù)旦大學(xué)和上海交通大學(xué)。
復(fù)旦大學(xué)是該國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)的成員之一，早在2006年，馬余剛團(tuán)隊(duì)就承擔(dān)了主探測(cè)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(cè)，隨后參與了CUORE-0、CUORE實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試等工作，目前每年參與實(shí)驗(yàn)的日常運(yùn)行工作。
上海交通大學(xué)副教授韓柯自2009年開(kāi)始參與CUORE實(shí)驗(yàn)，2016年代表上海交通大學(xué)加入合作組，目前主要興趣是晶體量熱器熱傳導(dǎo)模型研究和新型溫度傳感器的應(yīng)用。
當(dāng)前，國(guó)內(nèi)也在積極推動(dòng)相關(guān)研究。依托中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室“十三五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，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(guó)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(cè)器，開(kāi)展無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)探測(cè)研究。
“CUPID-China推動(dòng)的實(shí)驗(yàn)采用新一代光熱雙讀出技術(shù)，靈敏度比CUORE實(shí)驗(yàn)更高，它利用國(guó)內(nèi)在晶體生長(zhǎng)技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)探測(cè)。”馬余剛補(bǔ)充說(shuō)，“該實(shí)驗(yàn)將對(duì)我國(guó)在中微子基本屬性、正反物質(zhì)對(duì)稱性及宇宙起源等基礎(chǔ)前沿研究領(lǐng)域起到重要促進(jìn)作用。”
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04497-4
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