消失的中微子可能颠覆基础物理学

世界各地正在加紧寻找能够解开一个巨大反物质谜团的奇异“马约拉纳”粒子。

　　

           

加拿大萨德伯里正在建设的SNO+探测器。信贷:Volker Steger / SPL

1938年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳消失得无影无踪。他最喜欢的基本粒子，中微子，可能也有类似的消失行为。世界各地的一些新的或升级的实验正在竞相证明，一种通常产生两个中微子的极其罕见的核衰变，有时可能不会产生任何中微子。

与探测暗物质相比，这些实验获得的资金和关注较少，但它们对物理学的影响可能同样显著。粒子消失的现象表明中微子和反中微子，它们的反物质对应物，是同一种物质——马约拉纳在20世纪30年代首次提出了这种可能性。

这样的“马约拉纳中微子”可能是理解为什么宇宙似乎包含很少反物质的关键(见“如果中微子是马约拉纳粒子，那么可以回答的问题”)。此外，他们还将证明，与所有其他已知的物质粒子(如电子或夸克)不同，中微子的质量并非来自希格斯玻色子。

物理学家对中微子消失的研究已经进行了几十年，但现在的研究正在急剧增加，这意味着他们“有机会”用下一代设备探测到它，宾夕法尼亚州费城德雷克塞尔大学的实验物理学家米歇尔·多林斯基说。

目前在日本、韩国、意大利、加拿大和美国正在进行的实验比上一代的灵敏度高了一个数量级，计划中的未来探测器将在此基础上再提高两个数量级(见“全球实验”)。2015年，美国能源部的一个咨询委员会确定了这样一个项目为优先级，并承诺为探测马约拉纳中微子的实验提供资金——估计花费高达/约2.5亿美元——被认为是迫在眉睫的。

一个漫长的等待

当不稳定原子核中的质子衰变为中子时，就会产生中微子或反中微子，反之亦然。这个过程被称为β衰变，也会发射出一个电子或它的反粒子——统称为β粒子。

1935年，诺贝尔奖得主、物理学家玛丽亚·格佩特-梅耶曾预言，通过同时将两个中子转换为质子(或反过来)，释放两个β粒子，某些原子核可以衰变。这种“双β衰变”也会产生两个中微子或反中微子。Goeppert-Mayer的计算被证明是正确的，但是这种类型的衰变是极其罕见的:例如，碲-128转变为氙-128，它的半衰期在所有核反应中是已知的最长的，超过1024年，也就是十万亿年。

goepbert - mayer的论文发表四年后，物理学家Wendell Furry指出，如果马约拉纳是对的，中微子本身就是反粒子，那么双衰变的原子核发射的两个中微子应该偶尔会相互湮灭，因此原子核只会发射电子。

测试马约拉纳中微子存在的实验试图检测这种无中微子的双β衰变。从概念上讲，这非常简单:取一块可能经历这一过程的材料，尽可能长时间地观察它，看看它是否发射出两个携带特定能量的电子。

但是，如果无中微子放射性存在的话，它将是迄今为止已知的最慢的核衰变形式:至少比普通的双β衰变少两个数量级。迄今为止，来自意大利中部地下格兰萨索国家实验室锗探测器阵列(GERDA)的最佳结果发现，锗-76的半衰期必须超过1.8 × 1026年。这大约是宇宙年龄的10万亿倍。

当对稀有放射性衰变的实验增强其威力或仅仅是积累大量数据时，通常会发生以下两种情况之一:要么他们最终观察到了他们所寻找的反应，要么他们提高了半衰期必须达到的阈值。因此，对半衰期设定限制的可能性提供了一种测量实验灵敏度的方法。

目前正在启动或正在规划阶段的实验，其效果大约是GERDA的100倍——将半衰期限制为1028年或更久。

世界各地的实验

许多团队——使用各种方法——正在竞相寻找无中微子衰变的证据，并证明马约拉纳粒子的存在。

实验	位置	状态
中微子闪烁体	-	-
KamLAND-Zen 800	日本	活跃的
SNO +	加拿大	启动
液态氙	-	-
外200	美国	得出的结论
nEXO	加拿大	提出了
楼主的	美国	启动(主要是暗物质探测器)
XENON-nT	意大利	启动(主要是暗物质探测器)
固态	-	-
库雷/丘比特	意大利	活动/计划
耶尔达	意大利	得出的结论
马约拉那	美国	得出的结论
传奇- 200	意大利	2021年开始
爱茉莉	韩国	计划
传奇- 1000	意大利	提出了

冷血的

提高灵敏度的一个常见策略是降低背景噪声，比如探测器内部或周围的放射性杂质，这些杂质可能会发出虚假信号，看起来像带有马约拉纳中微子信号的电子对。一些团队已经竭尽全力消除这些问题。“如果你捡到一点点泥土，它可能有百万分之一的放射性;我们的材料通常是万亿分之一，”Dolinski说，他是富氙观测站(EXO-200)的发言人，该观测站最近结束了位于新墨西哥州卡尔斯巴德附近的地下废物隔离试验工厂的马约拉纳中微子实验。

格兰萨索的另一个实验——地下低温罕见事件观测站(CUORE，意大利语“心脏”的意思)——将探测器的核心温度保持在0.01开尔文，以帮助它区分各种信号;它被描述为“宇宙中最冷的立方米”。CUORE还使用4吨古罗马铅来保护其碲目标，这些铅是从一艘沉船中提取的，放射性特别低。

在所有现有的实验中，GERDA在减少背景噪声方面是最成功的:在它运行的十年左右的时间里，它基本上没有看到任何模拟马约拉纳中微子信号的事件。

意大利帕多瓦大学的物理学家，发言人Riccardo Brugnera说，至关重要的是，锗探测器被浸泡在一个大约85开尔文的液态氩中，这有三重作用。它使锗保持低温;它保护它不受外界的辐射;它的作用就像一个探测器，清除那些仍可能穿透地核的辐射信号。

“格尔达”探测器于去年被拆除，因为它的团队与美国领导的名为MAJORANA的合作团队共同建造了一个更大的探测器:LEGEND-200，它的目标由200公斤锗-76组成。现在格兰萨索正在建设中，预计将于11月开始采集数据。按比例增大目标的大小，就增加了看到衰变的可能性。布鲁涅拉说:“你还需要一个大的群体，否则你将不得不等上几个世纪。”

其他实验通过依赖目标的大小达到了与格尔达相似的灵敏度。在日本和加拿大的地下实验室里，物理学家们重新利用了原本用来捕捉中微子的巨型探测器。日本的KamlandZen800有大约750公斤氙-136，而加拿大的SNO+将有1300公斤碲-130。这两个实验都是在高能粒子穿过装有数百吨矿物油的容器时发现的光斑。

为了获得资金

Dolinski的EXO-200发明了另一种方法，它使用200公斤液态氙-136。氙既作为无中微子衰变的候选同位素，又作为显示电子的介质。类似的氙气探测器用于捕捉来自太空的粒子，对暗物质进行了最广泛的搜索。

加州斯坦福大学(Stanford University)的物理学家乔治·格拉塔(Giorgio Gratta)说，EXO-200“在雷达下建造，忽视了太多的官僚主义”，成本不到1500万美元。格拉塔在21世纪初帮助创立了EXO-200。Gratta希望美国能源部的资金将用于一个更有雄心的版本，称为nEXO，将有5吨氙，可能花费2.5亿美元。

nEXO的竞争对手之一是LEGEND-200团队，他们提议将实验规模扩大到“LEGEND-1000”，使用1吨锗-76。

物理学家表示，在竞赛中使用各种大型探测器至关重要。无中微子衰变的第一个迹象将以数据中的一个小碰撞的形式出现，其他实验将需要重复这些发现。“首先需要做的是，你必须用不同的同位素来确认它，”CUORE发言人、格兰萨索的物理学家Carlo Bucci说。

然而，不能保证这些实验很快就能证明中微子是马约拉纳粒子。领先的理论模型预测它们应该存在，但这些模型在一定程度上是基于对中微子质量的猜测。尽管如此，大多数物理学家认为这只是时间问题，而不是是否会发生的问题。然后，至少有一起与埃托雷·马约拉纳有关的失踪案件将会得到解决。

如果中微子是马约拉纳粒子，这些问题就可以得到回答

如果中微子同时是物质和反物质，它将有助于回答基础物理学中的一些主要问题。

1. 所有的反物质去了哪里?如果中微子是马约拉纳粒子，这就有助于解释为什么宇宙中物质的含量远远超过反物质。大爆炸应该创造了等量的这两种物质。但是物质一定有更好的机会在炽热的原始汤中亚原子粒子之间的反应中存活下来，从而导致了现在的不平衡。最大的问题是为什么。普通的双β衰变产生两个电子和两个反中微子，所以它不会改变粒子和反粒子的平衡。但一个无中微子的双β衰变只会产生两个电子，从而使宇宙粒子的数量净增加。

2. 中微子的质量从何而来?它们有多少质量?在20世纪70年代制定的粒子物理标准模型中，夸克和电子的质量来自希格斯玻色子，而中微子的质量为零。然后，在20世纪90年代，物理学家发现中微子确实有质量——尽管到底有多少还不知道。如果中微子是马约拉纳粒子，它们的质量来自于一种机制，而不是希格斯粒子。此外，测量无中微子衰变的频率可以间接测量反中微子(也就是中微子)的质量，因为粒子的质量越大，它们就越有可能相互湮灭。

3.为什么中微子总是以同样的方式旋转?与电子等粒子不同，中微子总是朝着一个方向旋转:它们的轴总是与它们的运动方向一致，而且它们的自旋总是“左手”，即逆时针。反中微子只在右旋的情况下被观察到。当物理学家制定标准模型时，他们嵌入了这种不对称性。但如果中微子是马约拉纳粒子，那就意味着反中微子可能只是朝着相反方向旋转的中微子。