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(fèi)米子是否存在，則是物理學(xué)界的一個(gè)未解之謎。

英國(guó)《自然》網(wǎng)站近日?qǐng)?bào)道，中國(guó)、美國(guó)、意大利、日本等國(guó)已建成(或?qū)⒔?多款探測(cè)器，正在(或計(jì)劃)搜尋無(wú)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(jiǎng)獲得者、物理學(xué)家瑪麗亞·戈佩特·梅耶爾預(yù)測(cè)，某些原子核內(nèi)的兩個(gè)中子會(huì)同時(shí)衰變成兩個(gè)質(zhì)子，放出兩個(gè)β粒子(電子)，這種“雙β衰變”也應(yīng)該產(chǎn)生兩個(gè)反中微子。梅耶爾的計(jì)算被證明是正確的，但這種衰變極其罕見。

4年后，美國(guó)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(huì)發(fā)生產(chǎn)生中微子的雙β衰變，還會(huì)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(duì)科技日?qǐng)?bào)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(duì)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(lái)自希格斯玻色子。”

韓柯解釋說(shuō)，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(huì)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(gè)電子和兩個(gè)反中微子，不會(huì)改變正反粒子的平衡，但NLDBD只會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)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(zhēng)流：探測(cè)器競(jìng)相發(fā)力

為找到NLDBD，美國(guó)、意大利、日本、中國(guó)等都在對(duì)現(xiàn)有探測(cè)器進(jìn)行升級(jí)，或計(jì)劃建造新探測(cè)器。

據(jù)韓柯介紹，美國(guó)早在2015年就把NLDBD實(shí)驗(yàn)確立為下一代核物理實(shí)驗(yàn)最重要的新方向。2019年，“富集氙觀測(cè)站”(EXO-200)將NLDBD的半衰期限制為3.5×1025年，目前實(shí)驗(yàn)組正籌劃將其升級(jí)為5噸級(jí)的nEXO實(shí)驗(yàn)。“馬約拉納”(MAJORANA)實(shí)驗(yàn)也在利用高純鍺γ譜儀尋找鍺-76的NLDBD。暗物質(zhì)探測(cè)器LZ也加入搜尋大軍之中。今年7月13—16日，美國(guó)能源部召開了NLDBD項(xiàng)目評(píng)審會(huì)，預(yù)期將選定一個(gè)到多個(gè)NLDBD實(shí)驗(yàn)進(jìn)行支持，總經(jīng)費(fèi)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(cè)站”(CUORE)利用二氧化碲晶體來(lái)尋找NLDBD，日本則以KamLAND-Zen實(shí)驗(yàn)為核心。

韓柯指出：“中國(guó)也有多款探測(cè)器正在或?qū)㈤_展此類探索。目前正在建造的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室為世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室，是開展NLDBD實(shí)驗(yàn)的理想場(chǎng)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(shí)間投影室技術(shù)尋找氙-136的NLDBD。目前PandaX-4T液氙探測(cè)器已經(jīng)開始運(yùn)行，可利用探測(cè)器中約350公斤的氙-136來(lái)尋找NLDBD。由清華大學(xué)牽頭的“中國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)”(CDEX)得出鍺-76的NLDBD半衰期下限為6.4×1022年，是國(guó)內(nèi)首個(gè)鍺-76的NLDBD結(jié)果。由復(fù)旦大學(xué)主導(dǎo)的CUPID中國(guó)合作組和華中師范大學(xué)主導(dǎo)的NvDex實(shí)驗(yàn)將分別利用光—熱雙讀出低溫量能器技術(shù)和高壓氣體時(shí)間投影室技術(shù)在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室尋找NLDBD。”

“中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所領(lǐng)導(dǎo)的江門中微子實(shí)驗(yàn)將在廣東省江門市建成一個(gè)兩萬(wàn)噸量級(jí)的大型液體閃爍體探測(cè)器，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施與探測(cè)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(guó)際合作：協(xié)同探索有望獲佳績(jī)

韓柯強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“尋找NLDBD也離不開國(guó)際合作!”

據(jù)他介紹，GERDA、MAJORANA和CDEX聯(lián)合組建了LEGEND合作組，計(jì)劃開展噸量級(jí)鍺-76的NLDBD實(shí)驗(yàn)。LEGEND合作組第一階段LEGEND-200實(shí)驗(yàn)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(jí)實(shí)驗(yàn)預(yù)期半衰期靈敏度達(dá)1028年以上，目前實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)待定。

全世界主要科研大國(guó)的科學(xué)家都加強(qiáng)了對(duì)這一領(lǐng)域的研究。韓柯表示：“未來(lái)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?duì)應(yīng)的馬約拉納有效質(zhì)量降低到15毫電子伏特(meV)量級(jí)。”

關(guān)鍵詞： 中微子 反粒子 大謎團(tuán) “馬約拉納”粒子