物理學家正在接近了解中微子的本質，或許也可能回答關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驗室和美國勞倫斯伯克利國家實驗室 (LBL)同步發(fā)布無中微子雙貝塔衰變(0nDBD)國際合作實驗(CUORE：Cryogenic Underground Observatory for Rare Events)對中微子的奇異屬性研究的最新進展。CUORE最新結果對所謂的中微子馬約拉納屬性給出了最嚴格的實驗限制之一，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多位科學家組成。復旦大學現(xiàn)代物理研究所馬余剛院士團隊是該國際合作實驗的成員之一，團隊早在2006年就加入CUORE合作組，承擔了主探測器材料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實驗的現(xiàn)場安裝、調試等工作，并參與后續(xù)長達近十年的實驗運行工作。

CUORE實驗是科學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。該實驗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驗室，實驗室隸屬于意大利國家核物理研究院，是世界上規(guī)模最大的地下實驗室之一。實驗室上1500米的巖石屏蔽使宇宙射線的強度衰減了100萬倍，這給尋找極端稀有事件提供了低本底的實驗環(huán)境。CUORE實驗的目的是尋找無中微子雙貝塔衰變，從而驗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域的重大科學問題之一，有可能幫助科學家回答為什么宇宙中的正物質遠比反物質多，這是人類能夠在宇宙中存在的根本原因之一。

CUORE實驗通過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是地球實驗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量，從而得到超出粒子物理學標準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，也將直接打破標準模型中的輕子數(shù)守恒定律。

CUORE探測器由19個極高純度的TeO2晶體塔組成，每個晶體塔由52個晶體構成，988塊TeO2晶體總重741公斤；另外CUORE合作組還設計建造了能夠冷卻19個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晶體是一個具有極高靈敏度的量熱探測器，實驗中通過TeO2晶體極其細小的溫度變化(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驗室的CUORE探測器

CUORE合作組此次發(fā)布的最新結果是CUORE實驗的首個噸×年（1噸晶體測量1年）累積數(shù)據(jù)。目前的結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量給出了最嚴格限制。從目前的結果看，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實驗實現(xiàn)了晶體量熱器探測技術的創(chuàng)新，特別是為下一代更高分辨的實驗建立基礎。實際上，CUORE實驗的升級版CUPID(CUORE Upgrade with Particle Identification)已經(jīng)在運行。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。

當前，國內也在積極推動無中微子雙貝塔衰變實驗研究，依托中國錦屏地下實驗室“十三五”國家重大科技基礎設施，發(fā)展包括高純鍺、晶體量熱器、高壓氣體和液體時間投影室等多種實驗方案。其中由復旦大學牽頭, 聯(lián)合清華大學、北京師范大學、中國科學技術大學、上海交通大學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驗技術，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驗探測研究。CUPID-China推動的實驗采用新一代的光熱雙讀出技術，靈敏度比CUORE實驗高很多，將利用國內在晶體生長技術方面的優(yōu)勢，在錦屏實驗室開展無中微子雙貝塔衰變實驗探測。實驗的推進將對我國在中微子的基本屬性、正反物質對稱性及宇宙起源等基礎前沿研究領域的發(fā)展起到重要促進作用。（來源：復旦大學）