PDF《无中微子双贝塔衰变》

1015 年左右.

20 世纪

50 年代起,有多个实验寻找无中微子双 贝塔衰变未果,将半衰期推到了大于

1017 年,与马约 拉纳理论不符,于是乎狄拉克中微子占了绝对上风. 然而,1957 年李 - 杨发现的弱相互作用宇称(镜像对

53 中微子研究与进展

27 卷第

6 期(总162 期)图1原子核双贝塔衰变:(a)通常的两阶弱相互作用产 生的双贝塔衰变;

(b)无中微子双贝塔衰变.如果后者能被 证明存在, 那么中微子是马约拉纳粒子 (粒子是自己的反粒子) , 并导致轻子数不守恒,其衰变的速率依赖于中微子的绝对质量 (a) (b) e e e v -- v -- v -- v - =v e W W W 称性)最大化破缺揭示了中微子的手征性,即中微子 总是左旋的,而反中微子总是右旋的,在中微子质量 为零的标准模型下,左右手不能互相转变.因此即使 中微子是自己的反粒子,图1(b)中的虚湮灭过程由 于手征的不匹配而不能发生.换句话说,如果中微子 质量为零的话,无中微子双贝塔衰变无论中微子是狄 拉克还是马约拉纳都不可能发生,更不能作为区分两 者的判据! 到了

20 世纪末,中微子的故事又发生了巨大转 折!中微子振荡的发现终于确切的证实了中微子并非 质量为零,而是有着极其微小的质量,打开了标准模 型的缺口.这个发现也使中微子的手征变换成为了可 能,重新点燃了人们测量无中微子双贝塔衰变的希望. 这样的极其稀有事例一旦被发现,除了验证中微子是 马约拉纳费米子外,还对粒子物理有一系列革命性的 影响.第一,在图 1(b)里,初态的轻子数为 0,末 态由于仅有两个电子而轻子数为 2,因此在标准模型 里严格守恒的轻子数在这个反应里被破坏.第二,由 于中微子的绝对质量联系手征变换几率,而中微子质 量的直接测量十分困难,无中微子双贝塔衰变正是另 一种独立的间接测量中微子质量的方法.第三,中微 子振荡的现象表明不同的中微子种类之间的质量差很 小,在0.03 电子伏特以下.人们很自然地联想到产生 这些微小质量的机制可能区别于产生其他费米子质量 的希格斯机制.最被理论家青睐的机制是所谓的 跷 跷板机制 ,这个机制要求中微子是马约拉纳费米子, 并且在极高质量 (1015 千兆电子伏特, 也叫大统一能量) 存在着右手马约拉纳中微子,这种物理图像将可以非 常自然地给出非常轻的常规中微子质量.这些重中微 子衰变如果破坏电荷 - 宇称对称性(CP),也有望 一 石二鸟 地解释宇宙演化过程中反物质的消失之谜. 第四,无中微子双贝塔衰变还有可能揭示除了马约拉 纳机制之外的新的轻子数破缺机制,打开新物理的大 门.然而,大自然在这里又同人类开了个玩笑,中微 子的微小质量使其手征翻转几率极其渺小,以至于无 中微子双贝塔衰变率远远小于普通双贝塔衰变,通常 被认为半衰期在

1026 年以上.尽管如此,当前国际上 多个无中微子双贝塔衰变的实验正如火如荼地开展着. 双贝塔衰变实验目前测得有双衰变的核有11种, 半衰期大致

1020 年.理想的无中微子双贝塔衰变实验 核素应是同位素中衰变能(Q 值)比较大的.Q 值越 大,能量最低原理导致衰变率便越高,也会使信号和 环境放射性的本底分得更开.同时,探测器越大,双 贝塔同位素含量越高,测量衰变事例的统计量就越大. 图2是双贝塔同位素的 Q 值和天然丰度的二维图,可 以看到没有 Q 值和天然丰度同时高的绝对赢家,不同 的同位素各有优缺点. 实验观测上无中微子双贝塔衰变最主要的观测量 是总电子能量分布.图3是一个扣除环境本底后的示 意图,为了形象地表述,无中微子事例的数目被人为 地放大了.由于两个中微子的存在,普通双贝塔事例 形成一个连续的能谱,而真正的无中微子双贝塔信号 在核反应的 Q 值处会出现一个尖锋.为了和本底得以 图2同位素的双贝塔衰变 Q 值和天然丰度分布