1938年3月25日晚上，意大利物理學家埃托雷·馬約拉納登上從(cong) 巴勒莫開往那不勒斯的輪船，之後卻永遠地消失了, 年僅(jin) 32歲。馬約拉納去哪兒(er) 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(yu) 其反粒子等同的費米子是否存在，則是物理學界的一個(ge) 未解之謎。

　　英國《自然》網站近日報道，中國、美國、意大利、日本等國已建成（或將建）多款探測器，正在（或計劃）搜尋無中微子雙β衰變（NLDBD）現象，以證明中微子就是馬約拉納粒子。

　　罕見衰變：破解大謎團的關(guan) 鍵

　　1935年，諾貝爾獎獲得者、物理學家瑪麗(li) 亞(ya) ·戈佩特·梅耶爾預測，某些原子核內(nei) 的兩(liang) 個(ge) 中子會(hui) 同時衰變成兩(liang) 個(ge) 質子，放出兩(liang) 個(ge) β粒子（電子），這種“雙β衰變”也應該產(chan) 生兩(liang) 個(ge) 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年後，美國物理學家文德爾·弗裏指出，如果中微子是自身的反粒子且質量不為(wei) 零，那麽(me) 某一類特殊的原子核就不僅(jin) 會(hui) 發生產(chan) 生中微子的雙β衰變，還會(hui) 發生正反中微子相互湮滅，即NLDBD現象。

　　自此，科學家們(men) 開始尋找NLDBD，以證明中微子是馬約拉納粒子。

　　上海交通大學物理與(yu) 天文學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不對稱之謎的關(guan) 鍵，此外還能證明，與(yu) 所有其他已知基本粒子（如電子或誇克）不同，中微子的質量並不來自希格斯玻色子。”

　　韓柯解釋說，標準模型告訴我們(men) ，宇宙大爆炸應該產(chan) 生了等量的正反物質，而正反物質相遇會(hui) 湮滅，但現在的宇宙中正物質占絕大多數，那麽(me) 反物質去哪兒(er) 了？普通的雙β衰變產(chan) 生兩(liang) 個(ge) 電子和兩(liang) 個(ge) 反中微子，不會(hui) 改變正反粒子的平衡，但NLDBD隻會(hui) 產(chan) 生兩(liang) 個(ge) 電子，使宇宙中正物質的數量增加，從(cong) 而有助於(yu) 解釋為(wei) 什麽(me) 宇宙中含有的物質比反物質多得多。

　　百舸爭(zheng) 流：探測器競相發力

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

　　據韓柯介紹，美國早在2015年就把NLDBD實驗確立為(wei) 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的半衰期限製為(wei) 3.5×1025年，目前實驗組正籌劃將其升級為(wei) 5噸級的nEXO實驗。“馬約拉納”（MAJORANA）實驗也在利用高純鍺γ譜儀(yi) 尋找鍺-76的NLDBD。暗物質探測器LZ也加入搜尋大軍(jun) 之中。今年7月13—16日，美國能源部召開了NLDBD項目評審會(hui) ，預期將選定一個(ge) 到多個(ge) NLDBD實驗進行支持，總經費預算達2.5億(yi) 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(ti) 來尋找NLDBD，日本則以KamLAND-Zen實驗為(wei) 核心。

　　韓柯指出：“中國也有多款探測器正在或將開展此類探索。目前正在建造的中國錦屏地下實驗室為(wei) 世界上最深的地下實驗室，是開展NLDBD實驗的理想場所。由上海交通大學牽頭的PandaX合作組，利用高壓氣體(ti) 、液體(ti) 時間投影室技術尋找氙-136的NLDBD。目前PandaX-4T液氙探測器已經開始運行，可利用探測器中約350公斤的氙-136來尋找NLDBD。由清華大學牽頭的“中國暗物質實驗”（CDEX）得出鍺-76的NLDBD半衰期下限為(wei) 6.4×1022年，是國內(nei) 首個(ge) 鍺-76的NLDBD結果。由複旦大學主導的CUPID中國合作組和華中師範大學主導的NvDex實驗將分別利用光—熱雙讀出低溫量能器技術和高壓氣體(ti) 時間投影室技術在錦屏地下實驗室尋找NLDBD。”

　　“中國科學院高能物理研究所領導的江門中微子實驗將在廣東(dong) 省江門市建成一個(ge) 兩(liang) 萬(wan) 噸量級的大型液體(ti) 閃爍體(ti) 探測器，相關(guan) 基礎設施與(yu) 探測器建設正如火如荼地開展。合作組已經開展相關(guan) 預研，考慮在其主要物理目標完成之後開展NLDBD研究。”韓柯進一步指出。

　　國際合作：協同探索有望獲佳績

　　韓柯強調說：“尋找NLDBD也離不開國際合作！”

　　據他介紹，GERDA、MAJORANA和CDEX聯合組建了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(ti) ，在意大利展開研究；第二階段LEGEND-1000的噸級實驗預期半衰期靈敏度達1028年以上，目前實驗地點待定。

　　全世界主要科研大國的科學家都加強了對這一領域的研究。韓柯表示：“未來一二十年內(nei) ，這一領域的主要目標是發現NLDBD或將其半衰期對應的馬約拉納有效質量降低到15毫電子伏特（meV）量級。”

　　LEGEND-200實驗的水箱，低溫恒溫器使鍺-76保持低溫。圖片來源：《自然》網站

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