PDF《无中微子双贝塔衰变》

1 个本底事例 / 年/千电子伏 / 千克,这对任 何一个实验都是一个挑战,建设和实验中稍有不慎将 会前功尽弃! 对于当前国际上不同的实验,这里不能一一详 述,只能选几个有代表性的实验简略介绍.同前面 提到的 GERDA 实验同时推进

76 Ge 实验的还有美国 的MAJORANA 合作组.MAJORANA 实验位于美国 的Sanford 深地实验室,也就是

2002 年获诺奖的戴 维斯(R. Davis)测量太阳中微子的地方,合作组正 在开展几十千克级的验证性实验,和GERDA 实验竞 争.两个实验在各自完成几十千克级实验后,预期 将合并为同一个合作组,并根据实验结果确定吨级 实验的技术路线. 另外一个很具竞争力的实验是位于意大利格兰 萨索实验室的 CUREO 实验(图6).这个实验使 用的

100 千克的天然 TeO2 晶体,其中双贝塔衰变的

130 Te 的天然丰度高达 34%.CUREO 的设计理念和高 纯锗实验相似,即追求最好的能量分辨率,使用了 世界上最大的稀释制冷机将探测器冷却到

6 毫开尔 文的号称 地球上最冷的地方 ,测量

130 Te 衰变后 产生的微小的温度变化.由于热的量子态 声子 的激发能在毫电子伏的量级,低温量能器的能量分 辨率甚至可以超出高纯锗探测器.当前 CUREO 百千 克级的实验正在开展. 近年来国际上涌现出多个新型的液氙探测实验, 已同时成为无中微子双贝塔衰变和暗物质直接探测后 起之秀和夺标大热门! EXO200 是一个位于美国新墨 西哥州的液体氙

136 的实验(图7),使用了约

160 千克的含 81% 丰度

136 Xe 的液氙靶,用了时间漂移室 的技术,在液体中加上漂移电场将电离的电子从阴极 漂移到阳极,通过电子的漂移时间和在阳极上的分布 对事件的顶点进行三维的位置重建.为了提高能量分 辨率,EXO200 实验同时读出闪烁光信号和电离信号, 采用极低本底的雪崩光二极管(avalanche photodiode) 来测量光信号,用丝网状的阳极来搜集电离电子的 信号.EXO200 在2014 年发表的无中微子双贝塔衰 变的半衰期到达了

1025 年量级.另一个基于

136 Xe 的KamLAND-Zen 实验建立在日本成功发现反应堆中微 子振荡的 KamLAND 实验之上(图8),将179 千克136 Xe 融入到一个

3 米直径盛满

13 吨液态闪烁体 尼龙袋子里,整个袋子置于 KamLAND 含1000 吨液 态闪烁体的探测器中.该实验仅仅测量

136 Xe 衰变后 的闪烁光,能量分辨率比较低,但由于技术成熟, 本底低,也比较容易做大,很具竞争力.在2014 年KamLAND-Zen 公布的无中微子双贝塔衰变的半衰期 图6CUREO 实验安装测试实景照片(摘自 CUREO 官网) 图7EXO200 实验实景照片(摘自 EXO200 官网) 图8KamLAND-Zen 实验探测器内部照片(摘自实验官网)

56 中微子研究与进展 现代物理知识 也到达了

1025 年.利用核物理理论计算可以将

136 Xe 和76 Ge 的结果联系在一起,这两个

136 Xe 实验的结果 也同海德堡 - 莫斯科实验

2001 年的宣称发现很不一 致.目前 EXO200 实验正在筹划未来升级为

5 吨级 的nEXO 实验,KamLAND-Zen 实验正在开展向

1 吨实验的升级.另外 EXO 合作组长期开展原子光学 的手段来标记双贝塔的子核

136 Ba 的研发工作,作为 压低本底的最终王牌. 物理学家的想象力是非常丰富的,会想尽一切办 法去压低本底.双贝塔衰变事例的重要特点是从同一 个顶点有两个电子同时产生,而伽玛本底通过光电吸 收或是康普顿散射产生的电子信号对应........