PDF《无中微子双贝塔衰变》

52 中微子研究与进展 现代物理知识 场平均值与普通的冷暗物质不同,这导致中微子与暗 物质间存在相对速度.

而这种相对速度的存在,导致 中微子密度相关函数或功率谱存在偶极矩.尽管中微 子的密度本身无法直接观测,但中微子和暗物质密度 会对不同类型的星系产生不同的影响,因此通过观测 不同类型的星系互相关函数的偶极矩,可以测量上述 中微子分布偶极矩.尽管这样测量的互相关函数也依 赖偏袒因子,但偶极矩的大小对偏袒因子并不敏感, 从而提供了一种鲁棒的中微子质量测量手段.此外, 非线性的结构如暗物质晕也产生中微子尾迹(wake), 这种尾迹也存在偶极矩,未来可以通过弱引力透镜进 行统计观测.

五、结束语 除了精密测量中微子的种类和质量外,宇宙学观 测也可以对一些中微子的性质如中微子与暗物质、暗能 量的相互作用等进行检验.未来,随着 DESI, LSST, Euclid,SKA 等更大的巡天仪器投入使用,我们将能够 进行更精密的宇宙学测量,最终揭示中微子之谜. 无中微子双贝塔衰变 刘江来 (上海交通大学物理与天文系 上海市粒子物理宇宙学重点实验室 200240) 无中微子双贝塔衰变,好一个拗口的名词!还 记得泡利

1930 年为了解释贝塔衰变连续能谱而纠结 地发明了中微子么?原子核中一个中子变为质子的衰 变叫贝塔衰变,如果有两个中子同时变为两个质子的 衰变叫双贝塔衰变,这个好像并不难理解.可是泡利 告诉我们每一个贝塔衰变都应该有一个中微子伴随而 来,因此双贝塔衰变应当是双中微子伴随双贝塔衰变 才对呵?那么无中微子双贝塔衰变是什么?好了,我 们还是从琢磨不透的中微子说起吧. 我们知道狄拉克方程是描述费米子的场方程, 正电子是狄拉克电子 海洋 中的带负能量的空穴.

1937 年,意大利的天才青年物理学家马约拉纳(E. Majorana)因为不满意狄拉克方程中电子和正电子之 间的非对称性,将正、反粒子的场组合成一个同时满 足正、反粒子的对称性和狄拉克方程的场,对应的粒 子就是所谓的马约拉纳费米子,它们是自己的反粒子. 马约拉纳在文章中提出,中性的中微子可能就是这种 新的马约拉纳费米子.在1938 年,前途无量的马约 拉纳神秘地失踪,从此没有人再见过他.中微子到底 是狄拉克费米子还是马约拉纳费米子在此之后就成了 公案.在普通的贝塔衰变中,不论是狄拉克还是马约 拉纳理论电子一定伴随着反中微子出现,在观测上没 有区别.1939 年,哈佛大学的弗瑞(W. Furry)提出 可以通过寻找无中微子双贝塔衰变来对中微子的本质 做出判断,也就是说寻找双贝塔衰变中仅仅有两个电 子而没有中微子的末态反应.这种反应的原理图如图

1 所示,普通双贝塔衰变中一个原子数 A 电荷数 Z 的 原子核一次发生(A,Z)→(A,Z+2)+e- +e- +v - e+v - e 的反应,由于要求一次性发生这种反应,需要确保中 间态原子核(A,Z+1)是一个虚态,也就是要求其核 质量上比母核(A,Z)要大,第一次贝塔衰变不会发 生.而无中微子双贝塔衰变要求第一个贝塔衰变放出 一个虚的中微子在第二个贝塔衰变中被吸收,以至于 形成没有中微子的双贝塔末态,这种反应只有中微子 是马约拉纳粒子才可能发生.符合这样条件的天然原 子核有三十多种.有趣的是,早期预言的无中微子双 贝塔衰变比普通双贝塔衰变更容易发生,其半衰期在