1938年3月25日晚上，意大利物理學(xué)家埃托雷·馬約拉納登上從巴勒莫開往那不勒斯的輪船，之后卻永遠(yuǎn)地消失了, 年僅32歲。馬約拉納去哪兒了?這是世界的未解之謎，而以其名字命名的“馬約拉納”粒子——粒子與其反粒子等同的費米子是否存在，則是物理學(xué)界的一個未解之謎。

英國《自然》網(wǎng)站近日報道，中國、美國、意大利、日本等國已建成(或?qū)⒔?多款探測器，正在(或計劃)搜尋無中微子雙β衰變(NLDBD)現(xiàn)象，以證明中微子就是馬約拉納粒子。

罕見衰變：破解大謎團(tuán)的關(guān)鍵

1935年，諾貝爾獎獲得者、物理學(xué)家瑪麗亞·戈佩特·梅耶爾預(yù)測，某些原子核內(nèi)的兩個中子會同時衰變成兩個質(zhì)子，放出兩個β粒子(電子)，這種“雙β衰變”也應(yīng)該產(chǎn)生兩個反中微子。梅耶爾的計算被證明是正確的，但這種衰變極其罕見。

4年后，美國物理學(xué)家文德爾·弗里指出，如果中微子是自身的反粒子且質(zhì)量不為零，那么某一類特殊的原子核就不僅會發(fā)生產(chǎn)生中微子的雙β衰變，還會發(fā)生正反中微子相互湮滅，即NLDBD現(xiàn)象。

自此，科學(xué)家們開始尋找NLDBD，以證明中微子是馬約拉納粒子。

上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院特別研究員韓柯對科技日報記者指出：“馬約拉納粒子可能是揭示宇宙中正反物質(zhì)不對稱之謎的關(guān)鍵，此外還能證明，與所有其他已知基本粒子(如電子或夸克)不同，中微子的質(zhì)量并不來自希格斯玻色子。”

韓柯解釋說，標(biāo)準(zhǔn)模型告訴我們，宇宙大爆炸應(yīng)該產(chǎn)生了等量的正反物質(zhì)，而正反物質(zhì)相遇會湮滅，但現(xiàn)在的宇宙中正物質(zhì)占絕大多數(shù)，那么反物質(zhì)去哪兒了?普通的雙β衰變產(chǎn)生兩個電子和兩個反中微子，不會改變正反粒子的平衡，但NLDBD只會產(chǎn)生兩個電子，使宇宙中正物質(zhì)的數(shù)量增加，從而有助于解釋為什么宇宙中含有的物質(zhì)比反物質(zhì)多得多。

百舸爭流：探測器競相發(fā)力

為找到NLDBD，美國、意大利、日本、中國等都在對現(xiàn)有探測器進(jìn)行升級，或計劃建造新探測器。

據(jù)韓柯介紹，美國早在2015年就把NLDBD實驗確立為下一代核物理實驗最重要的新方向。2019年，“富集氙觀測站”(EXO-200)將NLDBD的半衰期限制為3.5×1025年，目前實驗組正籌劃將其升級為5噸級的nEXO實驗。“馬約拉納”(MAJORANA)實驗也在利用高純鍺γ譜儀尋找鍺-76的NLDBD。暗物質(zhì)探測器LZ也加入搜尋大軍之中。今年7月13—16日，美國能源部召開了NLDBD項目評審會，預(yù)期將選定一個到多個NLDBD實驗進(jìn)行支持，總經(jīng)費預(yù)算達(dá)2.5億美元。

在意大利，“稀有事件的低溫地下觀測站”(CUORE)利用二氧化碲晶體來尋找NLDBD，日本則以KamLAND-Zen實驗為核心。

韓柯指出：“中國也有多款探測器正在或?qū)㈤_展此類探索。目前正在建造的中國錦屏地下實驗室為世界上最深的地下實驗室，是開展NLDBD實驗的理想場所。由上海交通大學(xué)牽頭的PandaX合作組，利用高壓氣體、液體時間投影室技術(shù)尋找氙-136的NLDBD。目前PandaX-4T液氙探測器已經(jīng)開始運行，可利用探測器中約350公斤的氙-136來尋找NLDBD。由清華大學(xué)牽頭的“中國暗物質(zhì)實驗”(CDEX)得出鍺-76的NLDBD半衰期下限為6.4×1022年，是國內(nèi)首個鍺-76的NLDBD結(jié)果。由復(fù)旦大學(xué)主導(dǎo)的CUPID中國合作組和華中師范大學(xué)主導(dǎo)的NvDex實驗將分別利用光—熱雙讀出低溫量能器技術(shù)和高壓氣體時間投影室技術(shù)在錦屏地下實驗室尋找NLDBD。”

“中國科學(xué)院高能物理研究所領(lǐng)導(dǎo)的江門中微子實驗將在廣東省江門市建成一個兩萬噸量級的大型液體閃爍體探測器，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施與探測器建設(shè)正如火如荼地開展。合作組已經(jīng)開展相關(guān)預(yù)研，考慮在其主要物理目標(biāo)完成之后開展NLDBD研究。”韓柯進(jìn)一步指出。

國際合作：協(xié)同探索有望獲佳績

韓柯強調(diào)說：“尋找NLDBD也離不開國際合作!”

據(jù)他介紹，GERDA、MAJORANA和CDEX聯(lián)合組建了LEGEND合作組，計劃開展噸量級鍺-76的NLDBD實驗。LEGEND合作組第一階段LEGEND-200實驗采用200公斤鍺-76晶體，在意大利展開研究;第二階段LEGEND-1000的噸級實驗預(yù)期半衰期靈敏度達(dá)1028年以上，目前實驗地點待定。

全世界主要科研大國的科學(xué)家都加強了對這一領(lǐng)域的研究。韓柯表示：“未來一二十年內(nèi)，這一領(lǐng)域的主要目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)NLDBD或?qū)⑵浒胨テ趯?yīng)的馬約拉納有效質(zhì)量降低到15毫電子伏特(meV)量級。”

關(guān)鍵詞： 中微子 反粒子 大謎團(tuán) “馬約拉納”粒子