尋找無中微子雙beta衰變

2021-01-19 中國物理學會期刊網

中微子有 3 種可能的質量狀態，其質量大約是電子的百萬分之一。這種巨大的差別意味著中微子質量的起源與所有其他費米子不同，涉及超出標準模型的物理。多數由標準模型推廣出來的理論都認為中微子是馬約拉納(Majorana)粒子。就是說，它們是本身的反粒子。


如果中微子是馬約拉納粒子，那麼就違反了輕子數守恆，輕子數是賦予所有輕子的量子數，對於電子和中微子是 1，而它們的反粒子是-1。在雙中微子 beta 衰變(圖左)中，兩個中子轉變成兩個質子加兩個電子和兩個反中微子。由於電子和反中微子具有相反的輕子數，所以輕子數是守恆的。但是如果中微子是馬約拉納粒子，雙 beta 衰變可以不發射反中微子，也就是輕子數改變 2。無中微子過程可以有各種機制。它們涉及產生或者消滅一個虛的馬約拉納中微子(圖中部)或某種新的重粒子 (圖右)。如果是前者，衰變率正比於 mββ的平方，mββ是 3 種質量態中微子質量的加權平均值。如果是後者，衰變速率與中微子質量的關係更複雜。但是無論哪種機制，無中微子雙 beta 衰變(0νββ)的實驗將表明中微子是馬約拉納粒子，存在著允許輕子數不守恆的新粒子。輕子數不守恆的發現，使物理學家們可用以解釋所觀察到的物質與反物質的不對稱性。


雙 beta衰變的 3種模式。在某些同位素中可發生兩中微子雙beta衰變(左)。如果中微子是馬拉約納粒子可發生無中微子雙 beta衰變，有些模型用產生或消滅一個馬約拉納中微子(中)或一未知的重粒子(右)來描述這種衰變


有 4 個實驗以大致相同的方法測量 0νββ衰變的半壽命。位於義大利格蘭薩索(Gran Sasso )地下實驗室的 GERDA 實驗，和在美國斯坦福的地下研究裝置 MAJORANA Demonstrator 實驗都尋找濃縮鍺-76的材料中的衰變。位於美國廢物隔離中試 廠 的 EXO-200 實 驗 分 析 濃 縮氙-136 的液態氙。位于格拉薩索的CUORE 實驗研究由天然碲組成的TeO2晶體，其 34%是雙 beta 衰變同位素碲-130。


至今關於 0νββ半壽命的最精確 下 限 值 有 來 自GERDA 的 8 × 1025年，日本神岡天文臺 KamLAND-Zen實 驗 的 1.07 × 1026年 ， EXO-200 的1.8 × 1025 年， MAJORANA 的 1.9 ×1025 年，和CUORE的1.3×1025年。


對某一同位素，衰變速率預期依賴於核波函數和末態密度。與鍺-76 相比，較重的同位素(氙-136和碲 -130)的電子態密度要增強 6倍。但是鍺-76的核波函數的貢獻最大。總體來說，這 3種同位素對 mββ或重的新粒子的靈敏度幾乎相同。氙-136和碲-130略微有利。


對於靈敏度而言，最重要的因素是輻照量，即同位素的量和測量時間的乘積。但是，在大量的本底中識別微弱的電子峰的能力非常重要。探測器的分辨越好，排除的假計數越多。CUORE 實驗的輻照量比鍺實驗要大，但解析度不高。結果是，在感興趣區為「零本底」的GERDA 的半壽命極限值比 CUORE的結果稍高。氙的輻照量最大，但是分辨最差。結果與鍺實驗提供的極限相近。


如 果 mββ 大 於 50 meV， 並 且0νββ衰變經由虛馬約拉納中微子發生，那麼估計實驗的靈敏度為5-8 ×1026年時便可探測到 0νββ。但是如果mββ接近10 meV，那麼需要1-2 ×1028年的靈敏度才行。為此必須將探測器的靈敏度提高 100 倍。這需要 1 噸或更多的放射性材料以及更好的去除本底的技術。更大探測器的合作組已組成。探測無中微子雙beta 衰變將改寫教科書——輕子數是不守恆的，中微子是馬約拉納粒子。為了證實如此重要的結果和了解更多的 0νββ衰變的性質以及可能的新重粒子的性質等，互補的實驗是十分需要的。


(中國原子能科學研究院 周書華 編譯自Jonathan Engel，Petr Vogel. Physics，March 26，2018)


相關焦點

  • 科學網—新研究並未發現「無中微子雙β衰變」
  • 國際科學家團隊:尋找理論化「無中微子」過程的一項新實驗
    一個由多國核物理學家合作、伯克利實驗室牽頭的國際科學家團隊，展示了一項尋找理論化的「無中微子」過程中的新實驗，該實驗實現了特殊探測器材料的記錄精度。CUPID-Mo實驗的初步結果基於對2019年3月至2020年4月收集的數據的分析，為被稱為鉬同位素的無中微子雙β衰變過程設定了新的世界領先的極限Mo-100。同位素是一種元素的形式，在其原子核中攜帶不同數量的稱為中子的不帶電粒子。
  • 新研究並未發現「無中微子雙β衰變」—新聞—科學網
  • 尋找宇宙中最難捉摸的「無中子雙β衰變」努力失敗了！
    它被稱為無中子雙β衰變，這意味著放射性元素只會釋放出兩個電子，而不會產生其他任何東西(甚至不會產生幽靈般、無電荷、幾乎不存在的粒子，即中微子)。如果物理學家能夠在現實世界中發現這種衰變，將違反物理學的基本規則之一，並引發一場尋找新衰變的競賽。但是對於無中子雙β衰變的愛好者來說，這是個壞消息：一項持續時間最長的實驗結果顯示，這個過程沒有任何跡象（即失敗了，但沒有告終），這意味著，如果這個「獨角獸」過程真的發生了，那將是極其罕見，現在能做的就是繼續挖掘，祈禱好運。
  • 尋找最罕見的衰變
    【尋找最罕見的衰變】而尋找違反輕子數的關鍵在於一個叫做「無中微子雙β衰變」的過程。一個「普通」的雙β衰變允許一個罕見的衰變過程發生：原子核內的兩個中子會同時衰變成兩個質子、兩個電子和兩個反中微子。這樣就能夠使衰變過程的前後輕子數守恆。
  • 從未見過的放射性衰變,能揭示中微子的存在?
    這一理論化但從未被觀測到的過程，被稱為「無中子雙β衰變」，將撼動粒子物理學的世界。如果被發現，它將解開關於中微子基本性質的長期謎團，中微子是宇宙中數量最多但卻最不為人所知的粒子之一。自2005年以來，費爾班克實驗室一直是國際EXO-200(富集氙天文臺)科學合作的一部分，利用一個充滿超冷液態氙的粒子探測器尋找無中子雙β衰變。
  • 中子和質子的夸克有何不同,中微子雙β衰變意味著什麼?
    一個難以捉摸的放射性衰變在所有放射性衰變中，有一個被稱為中微子雙β衰變，物理學家都希望可以找到這個難以捉摸的它。因為，它可以說明放射性元素只是吐出了兩個電子，並沒有其他任何東西，這其中自然不包括無電荷，以及沒有被稱為中微子的粒子等物質。當這樣的衰變在我們的現實生活中呈現，那麼這也將和物理學的基本原則之一相駁。
  • 中微子將成為解開宇宙未解之謎的關鍵:物質為何存在?
    CUORE在義大利語中是「心」的意思，它正在尋找證據，證明被稱為中微子的難以捉摸的亞原子粒子是它們自己的反粒子，物理學家稱之為馬略阿納粒子。中微子像幽靈一樣穿過大多數物質，極難被探測到。而CUORE實驗尋找的是馬約阿納中微子相互湮滅的特徵，這個過程被稱為無中微子雙衰變。在普通的雙衰變中，原子核內的兩個中子同時蛻變成兩個質子，釋放出一對電子和反中微子。
  • 神秘的中微子——游離於標準模型之外
    所謂衰變就是指，原子核中的中子會通過發射電子衰變為質子。但是，通過探測衰變前後的比較，發現衰變後有些東西丟失了。在粒子物理學中有兩個量總是守恆的：能量和動量。但不知何故，衰變後能量和動量都不再守恆，總是缺少一些東西。尼爾斯·玻爾認為，可能在亞原子層面，能量和動量守恆定理不再成立。
  • 藉助超級計算機,物理學家終於解決「β衰變難題」| Nat. Phys.
    「我們的研究表明，原子核的 β 衰變更加複雜，」Papenbrock說，「即使我們將其視為原子核內中子衰變為質子的反應，這種衰變也會受到兩個中子相互作用、並轉變為一個質子和一個中子這一過程的影響。考慮到這些影響，並使用最先進的核模型和超級計算機，我們能夠解決 β 衰變的『淬火』之謎。」
  • 讓我們來認識中微子
    2015年10月6日，諾貝爾獎委員會將諾貝爾物理學獎授予加拿大物理學家阿瑟·麥克唐納(薩德伯裡中微子天文臺研究所主任)和日本物理學家梶田隆章(東京大學教授，日本宇宙射線研究所所長)，以表彰他們發現「中微子振蕩」。
  • 前沿物理:EXO-200搜索馬約拉納中微子
    這項觀測實驗旨在利用富含同位素的氙-136探測「無中微子雙β衰變」這個過程的科學證據。儘管EXO-200還沒有找到有關衰變過程的任何統計學上的顯著證據，但他們縮小了衰變半衰期的搜索區間。中微子是由中子經過β衰變產生的無電荷的粒子，它們通過弱力與其他粒子相互作用。儘管我們現在有實驗證據表明，中微子有三種類型——電子中微子，μ子中微子和τ子中微子——它們的質量各不相同，但是目前研究人員無法確定它們單個的質量。但是觀測中微子雙β衰變（假如它們被觀測到了的話）可以用來確定單個中微子的絕對質量。
  • 中微子是它自己的反粒子嗎?
    狄拉克方程允許中微子和反中微子是不同的粒子，因此，四種類型的中微子是可能的：左手和右手手性的中微子和左手和右手手性的反中微子。但是，如果中微子沒有質量，就像科學家當時認為的那樣，那麼只需要存在左旋中微子和右旋反中微子。
  • 大亞灣反應堆中微子實驗退役 江門中微子實驗將接棒
    南方日報訊 （記者/蘇國銳）運行3275天11小時43分0秒後，大亞灣反應堆中微子實驗於12月12日正式退役。期間，這裡產出了一系列重要的中微子研究成果，包括被美國《Science》雜誌評為2012年十大科學突破之一的中微子的第三種振蕩，使我國中微子研究跨入國際先進行列。
  • 物理學家終於揭開β衰變謎題!
    第一原理計算表明，與自由中子衰變相比，兩個核子之間的強相關性和相互作用減緩了原子核中的衰變。這影響了重元素的合成和尋找無中微子雙衰變。ORNL計算科學家古斯塔夫·詹森說：沒有人真正理解為什麼這種猝滅因子會起作用，我們發現這在很大程度上可以通過在衰變中包含兩個核子來解釋——例如，兩個質子衰變為一個質子和一個中子，或者一個質子和一個中子衰變為兩個中子。這個團隊包括來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、田納西大學、華盛頓大學、加拿大凱凱夫大學和德國達姆施塔特技術大學的合作夥伴。
  • 中微子的「身份轉換」將揭曉萬物存在的根源
    中微子像幽靈一樣穿過大多數物質，並且極難被探測到，事實上，依據美國宇航局的觀點，太陽每秒釋放數萬億個中微子，一些中微子會穿過人類身體。CUORE實驗搜尋的是馬納拉那中微子相互湮滅跡象，該過程被稱為「無中微子雙貝塔衰變」。
  • 本體轉換的中微子可以根本上揭示人類的存在,但它能被我們發現嗎
    事實上，根據美國宇航局，來自太陽火熱核熔爐的數以萬億的中微子每秒都會穿透我們的身體。CUORE實驗尋找的是馬約拉納中微子在無中微子雙β衰變過程中相互湮滅的特徵。在正常的雙β衰變過程中，原子核中的兩個中子同時轉變為兩個質子，並釋放出一對電子和一對反中微子。雖然這一核活動極其罕見，在每個原子中每一萬億億（10^20）年才會發生一次，但已經在現實生活中被觀察到了。
  • 幽靈般的新物理學燈塔——中微子
    消失法案中微子與它們的反粒子之間的聯繫不必在誘人的範圍內萎縮，而是最終未解決的理論。過去和現在的許多實驗都試圖通過尋找一種稱為核雙β衰變的放射性事件來確定地回答中微子是否實際上是他們自己的反粒子。中微子和反中微子首先在核β衰變中觀察到，其中原子與反中微子一起發射電子。在幾種核同位素中，兩種β衰變可以同時發生，在正常情況下，它們會發射兩個電子和兩個反中微子。然而，如果中微子是Majorana粒子，那麼在第一次衰變中發射的相同的反中微子可以在第二次衰變中被吸收。結果是雙β衰變，不會發出任何中微子或反中微子。
  • 中微子之謎:它總是以光速行進嗎?
    中微子最初於1930年提出，當時一種特殊的衰變類型——β衰變似乎違反了所有最重要的兩個守恆定律：能量守恆和動量守恆定律。當原子核以這種方式衰減時，它的原子序數增加1，發射了一個電子，並失去了一點點質量。當將電子的能量和衰變後核的能量相加時，它總是比初始原子核的質量小一些。當測量電子和衰變後核的動量時，它與衰變前核的初始動量不匹配。