PDF《无中微子双贝塔衰变》

4000 3500

3000 2500

2000 0

5 10

48 Ca

150 Nd

100 Mo

82 Se

116 Cd

135 Xe

76 Ge

130 Te

15 20 同位素丰度 (%)

25 30

35 Q 值(keV) W

54 中微子研究与进展 现代物理知识 足够的区分,除了统计量(大质量靶材,长时间曝光) 以外,实验要求极低的本底和极高的能量分辨率.

76 Ge 是双贝塔衰变同位素的一种,高纯锗探测器 技术的发展以及这种半导体探测器出色的能量分辨率 使这类实验双贝塔衰变的灵敏度在很长的时间处于领 先地位.海德堡 - 莫斯科(H-M)合作实验使用了

11 千克含 86%

76 Ge 的探测器开展了超过十年的实验,在2001 年部分合作组成员宣称以很高置信度找到无中微 子双贝塔事件(图4),但却受到同一合作组其他成 员的质疑.H-M 宣称的发现对应

76 Ge 无中微子双贝 塔衰变半衰期在

1025 年,对应着中微子绝对质量在 0.1 到0.9 电子伏特之间(三种中微子的绝对质量几乎相 同,被称为质量简并).有趣的是,宇宙学对微波背 景辐射的精确测量却暗示中微子绝对质量低于 0.1 电 子伏特.使用同样高纯锗探测器技术的位于意大利格 兰萨索地下实验的 GERDA 实验组(图5)在2013 年 公布了比 H-M 实验本底低近

10 倍的测量结果,没有 找到候选事例,将76 Ge 的无中微子双贝塔半衰期的下 限提高至1025 年, 以很高的置信度排除了H-M的结果. 至此,中微子的粒子本性依然还是一桩悬案. 如果中微子是马约拉纳粒子而且绝对质量是非简 并的,那么无中微子双贝塔衰变的数率将和所谓的中 微子的质量顺序密切相关.这个可以通过一个简单的 物理图像来理解.我们知道中微子振荡实验至今给出 了三种中微子质量本征态

1 ,

2 ,

3 的质 量平方差的绝对值,却没有给出谁最轻!通常说的质 量序为正序指的是

1 最轻,

3 最重,而反序则 是将两者对调.在贝塔衰变中的中微子是(反)电子 中微子,而振荡实验又告诉我们,电子中微子有很大 的成分由

1 态组成,因此正序和反序可以非常粗 略地对应为电子中微子是最轻和最重的两种情况.电 子中微子越重,根据量子力学的测不准原理图 1(b) 里的正反中微子虚湮灭便越快地发生,反之则湮灭越 慢.如果中微子的质量是反序,理论上预期的无中微 子双贝塔衰变半衰期约在

1027 年量级,假定理想的本 底情况,吨级的双贝塔衰变实验将可以用五到十年的 曝光量发现它!但是如果中微子是正序,则需要两个 数量级甚至更高的曝光量. 为了到达更大的曝光量,双贝塔衰变的代价和实 验难度都是巨大的.其中,对天然丰度小的同位素的 图5GERDA 实验实景照片(摘自 GERDA 官方网页) 图4海德堡 - 莫斯科实验发表的

76 Ge 能谱,2040 电子伏附近的峰 是宣称的无中微子事件(图摘自 Phys.Lett. B586(2004)198-212)

20 18

16 14

12 10

8 6

4 2

0 2000

2010 2020

2030 2040

2050 2060 能量 (keV) 事件数 (keV) 图3双贝塔衰变(黑)和无中微子双贝塔衰变(红)总电子 能谱示意图

1 0.8 0.6 0.4 0.2

0 0

500 1000

1500 2000

2500 2νββ 0νββ 能量 (keV)

55 中微子研究与进展

27 卷第

6 期(总162 期)富集是一项巨额开支,全世界将多种同位素分离大规 模产业化的国家只有俄罗斯.此外,由于要探测极稀 有信号,所有的实验都在地下实验室里开展以躲避宇 宙线带来的本底,并且用极其干净的材料建造探测器. 未来的吨级实验对于实验室环境和探测器内部本底目 标是小于