暗物質(zhì)探測(cè)和無(wú)中微子雙貝塔試驗(yàn)

云啟霞蔚

<p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b> 前  言</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">暗物質(zhì)和中微子普遍存在于宇宙中，對(duì)宇宙和星系的形成與演化起了主導(dǎo)作用，但目前我們對(duì)暗物質(zhì)的本質(zhì)和中微子的基本性質(zhì)還所知甚少。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">暗物質(zhì)最初是由天文學(xué)家為了解釋天體的運(yùn)動(dòng)而提出來的。現(xiàn)代的宇宙學(xué)觀測(cè)，特別是引力透鏡效應(yīng)、宇宙微波背景輻射的各向異性和大尺度結(jié)構(gòu)等，更進(jìn)一步明確了暗物質(zhì)的存在。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型表明，暗物質(zhì)通過引力相互作用直接影響了星系的形成以及星系在宇宙中的分布。然而，對(duì)于暗物質(zhì)的其他性質(zhì)，特別是粒子屬性我們還一無(wú)所知。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">粒子物理學(xué)家傾向于認(rèn)為，暗物質(zhì)是由某種未知的新粒子組成的；除引力作用外，它與普通物質(zhì)可能還存在其他非常微弱的相互作用。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">在所有標(biāo)準(zhǔn)模型粒子中，中微子在宇宙中的數(shù)量?jī)H次于光子，每秒鐘約有1015 個(gè)中微子穿過我們的身體。中微子質(zhì)量極輕，至少比電子輕一百萬(wàn)倍。由于僅參與弱相互作用，中微子與普通物質(zhì)幾乎不發(fā)生反應(yīng)，卻幾乎見證了從宇宙起源到天體形成的各個(gè)過程。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">理論學(xué)家認(rèn)為，中微子很可能是自身的反粒子。然而，只有觀測(cè)到一種極其稀有的無(wú)中微子雙貝塔衰變，方可確認(rèn)該理論，進(jìn)而有望解開為何現(xiàn)在的宇宙中幾乎全部是正物質(zhì)、不存在反物質(zhì)的謎團(tuán)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">     鑒于暗物質(zhì)碰撞信號(hào)和無(wú)中微子雙貝塔衰變均屬極其稀有事件，實(shí)驗(yàn)研究過程中均要求極致的本底控制，同時(shí)需要大體量的探測(cè)器以及復(fù)雜的信號(hào)探測(cè)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。因此，科研領(lǐng)域常提及的大科學(xué)裝置成為探索這些事件的重要工具。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">本文將簡(jiǎn)要概述國(guó)際上關(guān)于暗物質(zhì)和無(wú)中微子雙貝塔衰變的實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀，并闡述我國(guó)科學(xué)家在該領(lǐng)域的研究積累和未來前沿規(guī)劃。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>一、暗物質(zhì)</b></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">近百年的天文學(xué)觀測(cè)表明，宇宙中存在大量看不見的物質(zhì)——“暗物質(zhì)”，其對(duì)宇宙和星系的形成與演化起了主導(dǎo)作用?；谟钪嬷形⒉ū尘拜椛涓飨虍愋杂^測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，宇宙中暗物質(zhì)約占全部物質(zhì)總質(zhì)量的 85%。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">然而，迄今為止人們尚未在實(shí)驗(yàn)中明確探測(cè)到暗物質(zhì)，我們對(duì)其本質(zhì)還知之甚少。一種觀點(diǎn)曾認(rèn)為，產(chǎn)生于早期宇宙的原初黑洞，由于幾乎不發(fā)光，很可能是暗物質(zhì)的一部分。而粒子物理學(xué)家則更傾向于宇宙中有尚未被發(fā)現(xiàn)的新粒子或新相互作用。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">大量的新物理理論研究預(yù)言了一類質(zhì)量在弱電破缺能區(qū)（～100 GeV）附近的暗物質(zhì)粒子，即“弱相互作用重粒子”或 WIMP（Weakly Interacting Massive Particle）。它的質(zhì)量非常大，與普通物質(zhì)之間只存在“類似于”標(biāo)準(zhǔn)模型中的弱相互作用和萬(wàn)有引力。這種新粒子恰好在早期宇宙適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻熱解耦，產(chǎn)生今天宇宙中觀測(cè)到的暗物質(zhì)密度，同時(shí)解決了粒子理論基本問題，這種“巧合”也被稱為是“ WIMP奇跡”，使得 WIMP 成為最受物理學(xué)家青睞的暗物質(zhì)候選者之一。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">除了傳統(tǒng)的WIMP暗物質(zhì)候選粒子外，如果放松對(duì)暗物質(zhì)質(zhì)量和相互作用強(qiáng)度的“理論偏好”，質(zhì)量為核子質(zhì)量甚至更輕的暗物質(zhì)也有可能性。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">此外，另外一大類有很強(qiáng)理論動(dòng)機(jī)的暗物質(zhì)理論就是所謂的軸子或類軸子，由 Pecci，Quinn，Wilczek 以及 Weinberg 在1977 年為解決強(qiáng)相互作用中為何 CP 守恒的問題而提出。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>（一）新世紀(jì)暗物質(zhì)“疑云”</b></p><p class="ql-block"><b><span class="ql-cursor">?</span></b></p><p class="ql-block"> 進(jìn)入新世紀(jì)以來，暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域不時(shí)地為人們帶來驚喜。這些驚喜源自空間和地下的實(shí)驗(yàn)，基于不同的探測(cè)機(jī)理、在不同的信號(hào)通道上均傳出超出預(yù)期的信號(hào)。部分疑似暗物質(zhì)信號(hào)后續(xù)實(shí)驗(yàn)已予以排除，然而另一些依然懸而未決，亟待進(jìn)一步檢驗(yàn)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"> 2010 年前后，國(guó)際上數(shù)個(gè)地下實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到超出本底預(yù)期的信號(hào)，并被解釋為 20 GeV 左右的暗物質(zhì)信號(hào)。這些實(shí)驗(yàn)包括基于晶體探測(cè)器的 DAMA-LIBRA 實(shí)驗(yàn)（NaI晶體）和 CRESST-II 實(shí)驗(yàn)（CaWO4 晶體）、基于半導(dǎo)體探測(cè)技術(shù)的CDMS-Si 實(shí)驗(yàn)（極低溫 Si 半導(dǎo)體）和 CoGENT 實(shí)驗(yàn)（Ge 半導(dǎo)體）。這一系列結(jié)果曾在國(guó)際范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注，但后續(xù)實(shí)驗(yàn)很快排除了這些疑似事例。2020 年，XENON1T 實(shí)驗(yàn)發(fā)布了疑似超出本底預(yù)期的電子反沖事例的數(shù)據(jù)結(jié)果，并且該超出可以由太陽(yáng)軸子解釋。然而，近期 XENON1T 的升級(jí)實(shí)驗(yàn)XENONnT 已排除這種太陽(yáng)軸子解釋的可能性。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"> 在過去十余年間，除地下實(shí)驗(yàn)外，空間實(shí)驗(yàn)亦探測(cè)到了許多令人鼓舞的超出信號(hào)。然而，由于對(duì)天體物理本底的精確測(cè)量不足，這些超出的含義仍懸而未決。2011 年，F(xiàn)ERMI-LAT 伽馬射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到銀河系中心的伽馬射線在 GeV 波段有超出，該超出可以用～10 GeV 暗物質(zhì)的湮滅信號(hào)予以良好解釋，但也可能源于附近天體源，如脈沖星。2013 年，由華裔科學(xué)家丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的 AMS-02 實(shí)驗(yàn)發(fā)布了精確的正電子比例觀測(cè)結(jié)果，確認(rèn)了 PAMELA 衛(wèi)星于 2009 年觀測(cè)到的正電子流強(qiáng)在幾十 GeV 以上的明顯超出。這些額外的正電子可能源于 TeV 量級(jí)暗物質(zhì)的湮滅，但也可能是其它未知的天體源，如脈沖星或超新星爆發(fā)等加速的正電子。雖然墨西哥高海拔水切倫科夫天文臺(tái)（HAWC）對(duì) Geminga 和 PSR B0656+14 的觀測(cè)顯示，脈沖星周圍的電子擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于預(yù)期，很難產(chǎn)生主導(dǎo) AMS-02 等實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的正電子超出，但是對(duì)該超出的暗物質(zhì)解釋也依然是眾說紛紜。特別值得一提的是，我國(guó) 2015 年發(fā)射的暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星“悟空”精確測(cè)量了宇宙線電子（不區(qū)分正負(fù)電子）能譜，并在～TeV 處觀測(cè)到“拐折”以及在～1.4 TeV 的疑似超出。對(duì)這些超出的解釋強(qiáng)烈依賴于物理模型，目前來看仍有可能是暗物質(zhì)的信號(hào)。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"> 在光子和電子（包括正電子）能譜上的反常超出之外，AMS-02 實(shí)驗(yàn)還觀測(cè)到了反物質(zhì)的超出。2016 年，AMS-02 首次發(fā)布了宇生反質(zhì)子的測(cè)量結(jié)果。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在低能區(qū)（動(dòng)能為幾個(gè) GeV）超出宇宙線的本底，可以用 20~80 GeV 的暗物質(zhì)信號(hào)來解釋。 引人注目的是，如果將AMS-02 的低能反質(zhì)子譜與 FERMI-LAT 觀測(cè)到的銀河系中心伽馬射線譜進(jìn)行聯(lián)合分析，這些超出強(qiáng)烈地指向了～80 GeV 的暗物質(zhì)信號(hào)。雖然后來 FERMI-LAT 對(duì)白矮星系的觀測(cè)未能發(fā)現(xiàn)與銀心同樣的超出，但多項(xiàng)研究表明，對(duì)白矮星系的觀測(cè)結(jié)果僅能排除暗物質(zhì)通過某些特定的通道（  ）衰變的可能性。因此，～80 GeV 的暗物質(zhì)產(chǎn)生銀心 GeV 伽馬超出和低能反質(zhì)子超出依然在理論上站得住腳。更令人振奮的是，2018年 AMS-02 實(shí)驗(yàn)公布了其關(guān)于宇生反氦的觀測(cè)結(jié)果，共發(fā)現(xiàn)了 8 個(gè)反氦事例（包括 6個(gè)反氦-3 和 2個(gè)反氦-4）。雖然關(guān)于這些反氦事例的起源仍在進(jìn)一步仔細(xì)論證中，但對(duì)于暗物質(zhì)“獵手們”來講無(wú)疑是極其鼓舞人心。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>（二）國(guó)際暗物質(zhì)探測(cè)大科學(xué)裝置前沿</b></p><p class="ql-block">     暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)假設(shè)暗物質(zhì)粒子同已知物質(zhì)之間有一些除了引力之外的相互作用，從而可以通過直接、間接和實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生三種方式開展探測(cè)，原理見圖 1。目前暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)在全世界范圍內(nèi)如火如荼地開展，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈。圍繞國(guó)際上已投入運(yùn)行的項(xiàng)目，本節(jié)將著重介紹與我國(guó)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)布局相關(guān)的國(guó)際暗物質(zhì)探測(cè)大裝置，主要集中在地下實(shí)驗(yàn)和空間實(shí)驗(yàn)兩方面。</p><p class="ql-block"><br></p> <h3>圖 1，暗物質(zhì)多種實(shí)驗(yàn)探測(cè)方式的原理示意圖</h3></br><h3>1985 年，Edward Witten 等提出將 WIMP 暗物質(zhì)和原子核的碰撞信號(hào)作為“黃金探針”。此后，國(guó)際上大量的實(shí)驗(yàn)涌現(xiàn)，在國(guó)際各大深地實(shí)驗(yàn)室中，以多種探測(cè)手段搜尋 WIMP。經(jīng)過近 30 年的發(fā)展，“兩相型”液氙時(shí)間投影室（簡(jiǎn)稱“液氙TPC ”，Time Projection Chamber）以其突出的探測(cè)性能、強(qiáng)大的本底甄別本領(lǐng)和優(yōu)越的升級(jí)能力脫穎而出，成為當(dāng)今世界上對(duì)暗物質(zhì)，尤其是重質(zhì)量暗物質(zhì)探測(cè)最為靈敏的技術(shù)手段。在最新一輪的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，液氙暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)“三足鼎立”態(tài)勢(shì)，包括我國(guó)的 PandaX-4T（有效質(zhì)量約 4 噸）、歐洲的XENONnT（有效質(zhì)量約 6 噸）和美國(guó)的 LZ （有效質(zhì)量約 7 噸）。位于我國(guó)四川錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的 PandaX-4T 實(shí)驗(yàn)率先完成建設(shè)，并于 2021 年發(fā)布 0.63 ?噸·年的試運(yùn)行結(jié)果，取得了暗物質(zhì)與核子的自旋無(wú)關(guān)散射截面最強(qiáng)的限制。一年后，XENONnT 和 LZ 幾乎同時(shí)發(fā)布了其首個(gè)暗物質(zhì)研究結(jié)果，其中 LZ 實(shí)驗(yàn)對(duì)暗物質(zhì)的限制略勝一籌。然而，理論預(yù)言的暗物質(zhì)與核子相互作用仍有大約 2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)的參數(shù)空間待搜尋。根據(jù)美國(guó) P5 規(guī)劃，作為第二代（G2）液氙探測(cè)器，XENONnT 和 LZ 將分別繼續(xù)運(yùn)行至約 2028 年；隨后，雙方將尋求歐洲與美國(guó)實(shí)驗(yàn)的合并升級(jí)，并已形成一個(gè)非正式合作框架（XLZD）。</h3></br><h3>與液氙 TPC 探測(cè)機(jī)理相同，還有一類實(shí)驗(yàn)利用液氬作為媒介探測(cè)暗物質(zhì)。相比較氙，氬的原材料成本更低，并且其閃爍光中的快、慢兩種光可以用于“脈沖形狀鑒別”（Pulse Shape Discrimination）；但是，自然氬中含有的宇生同位素氬-39 具有放射性，也給該類型實(shí)驗(yàn)帶來了挑戰(zhàn)。國(guó)際上幾個(gè)著名的液氬實(shí)驗(yàn)，包括 DEAP-3600、DarkSide-50、MiniCLEAN 和 ARDM 于 2017 年組成了全球液氬暗物質(zhì)合作組（the Global Argon Dark Matter Collaboration），正在建設(shè)DarkSide-20k（20 噸液氬），預(yù)期 2026 年投入運(yùn)行。</h3></br><h3>輕質(zhì)量暗物質(zhì)（質(zhì)量低于核子質(zhì)量）在過去十余年里也廣受關(guān)注。這類暗物質(zhì)探測(cè)的核心挑戰(zhàn)在于如何突破傳統(tǒng)暗物質(zhì)探測(cè)中的動(dòng)力學(xué)限制。目前，國(guó)際上主要有三種實(shí)驗(yàn)方法：1）依靠探測(cè)器更低的閾值，提升對(duì)輕暗物質(zhì)碰撞的靈敏度。例如，美國(guó)采用極低溫量能器技術(shù)的 SuperCDMS 實(shí)驗(yàn)，跳頻 CCD 技術(shù)的 SENSI 和 DAMIC 實(shí)驗(yàn)，以及我國(guó)的 CDEX 點(diǎn)電極高純鍺實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)將探測(cè)器閾值降至 100 eV，從而對(duì)～GeV 的低質(zhì)量暗物質(zhì)探測(cè)更靈敏。近年來，利用各種量子傳感器極低激發(fā)能特性的想法也開始流行；2）采用原子中的電子作為散射靶，并且利用原子束縛態(tài)的效應(yīng)提升對(duì)輕暗物質(zhì)的靈敏度；3）引入新的理論機(jī)制，例如對(duì)于每一種假設(shè)的相互作用，自然界均存在將暗物質(zhì)加速的機(jī)制，從而繞開探測(cè)器閾值的限制。綜合這些方法，暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)可將探測(cè)靈敏區(qū)域擴(kuò)展至低于 keV 質(zhì)量區(qū)的“溫暗物質(zhì)”區(qū)間。</h3></br><h3>在空間實(shí)驗(yàn)方面，基于我國(guó)空間站的“高能宇宙輻射探測(cè)設(shè)施”（HERD）和“悟空”的下一代空間暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)——甚大面積伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡（VLAST）對(duì)空間伽馬射線的觀測(cè)能力均將超過 FERMI-LAT，有望對(duì)銀心的伽馬超出進(jìn)行檢驗(yàn)。得益于美國(guó)宇航局（NASA）2022 年對(duì)國(guó)際空間站軌道的維護(hù)，AMS-02 實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)將運(yùn)行至 2032 年。同時(shí)，由 NASA 資助的高空氣球?qū)嶒?yàn)（GAPS）將計(jì)劃于 2024 年底在南極麥克默多科考站（McMurdo）升空。通過測(cè)量奇異核衰變產(chǎn)生的次級(jí)粒子來甄別反粒子，GAPS 對(duì)動(dòng)能小于 250 MeV/核子的反核（反質(zhì)子、反氘甚至反氦）具有較高靈敏度。GAPS 實(shí)驗(yàn)與 AMS-02 在能區(qū)上形成互補(bǔ)，通過不同的探測(cè)手段，有望對(duì) AMS-02 觀測(cè)到的低能質(zhì)子超出和反氦事例進(jìn)行有效檢驗(yàn)，并在低能反氘這一全新的信號(hào)通道有所突破。</h3></br><h3>除 WIMP 暗物質(zhì)外，國(guó)際上也有很多實(shí)驗(yàn)瞄準(zhǔn)軸子暗物質(zhì)。當(dāng)前軸子探測(cè)實(shí)驗(yàn)主要基于強(qiáng)磁場(chǎng)下軸子與光子之間微弱的耦合作用。微波諧振腔（Haloscope）技術(shù)被應(yīng)用于 ADMX 實(shí)驗(yàn)，其探測(cè)能區(qū)主要聚焦在 QCD 軸子附近（50 ueV）。此外，非共振腔方案采用電磁感應(yīng)效應(yīng)、自旋進(jìn)動(dòng)效應(yīng)、電介質(zhì)效應(yīng)等，在數(shù)十 ueV 之外的軸子質(zhì)量區(qū)間展開寬頻搜尋。在更大的質(zhì)量范圍內(nèi)（<1 eV），CERN 太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡（Helioscope）實(shí)驗(yàn) CAST 以及其升級(jí)實(shí)驗(yàn)IAXO 旨在尋找太陽(yáng)軸子，而德國(guó) DESY 的 ALPS-II 實(shí)驗(yàn)則利用激光穿墻技術(shù)（Light-Shining Through A Wall），在強(qiáng)磁場(chǎng)下使用強(qiáng)激光產(chǎn)生軸子，然后在“墻”的另一端探測(cè)由軸子逆過程產(chǎn)生的光子。此外，國(guó)際上還有對(duì)人造光源或已知天體的各波段的高精度光譜、極化譜觀測(cè)，以及自旋相關(guān)的第五種力的精確測(cè)量等研究。我國(guó)科學(xué)家通過天體物理數(shù)據(jù)對(duì)軸子有不少唯像學(xué)的研究，最近也開始通過超導(dǎo)共振腔對(duì)軸子開展實(shí)驗(yàn)尋找。同時(shí)，PandaX 和 CDEX 這些實(shí)驗(yàn)也可以利用極低本底探測(cè)器中的電子反沖信號(hào)開展對(duì)太陽(yáng)軸子與電子耦合的搜尋。</h3></br><strong>二</strong><strong data-brushtype="text">中微子和無(wú)中微子</strong><strong data-brushtype="text">雙貝塔衰變</strong><h3>中微子是一種不帶電荷的粒子，在標(biāo)準(zhǔn)模型中被認(rèn)為是零質(zhì)量。為了解釋貝塔衰變電子能譜的連續(xù)性，中微子在 1930 年由 Pauli 首次提出。1956 年，Cowan 和 Reines 實(shí)驗(yàn)首次探測(cè)到反應(yīng)堆放出的反電子中微子（1995 年諾貝爾獎(jiǎng)）。隨后不久，繆子中微子于 1962 年被 Lederman、Schwartz 和 Steinberger 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用加速器打靶實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（1988年諾貝爾獎(jiǎng)）。2000 年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的 DONUT 實(shí)驗(yàn)找到了最后一種已知的中微子，陶子中微子。這三種中微子就是我們常說的中微子的“味道”（Flavor）。太陽(yáng)、核反應(yīng)堆、大氣層和超新星均是中微子的“生產(chǎn)基地”。其中，超新星爆發(fā)放出的中微子在 1987 年首次被探測(cè)到，與太陽(yáng)中微子的發(fā)現(xiàn)共享了 2002 年諾貝爾獎(jiǎng)。此外，宇宙大爆炸也產(chǎn)生了大量的中微子，它們攜帶了大爆炸后一秒時(shí)的信息，但目前還沒有被實(shí)驗(yàn)直接捕捉到。</h3></br><h3>中微子有一個(gè)奇特的性質(zhì)：在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)味道會(huì)發(fā)生改變，即中微子振蕩。比如說，繆子中微子在飛行過程中，有一定幾率會(huì)變成陶子中微子。這種性質(zhì)最早是超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)和 SNO 實(shí)驗(yàn)分別在 1998 年測(cè)大氣中微子、2002 年測(cè)太陽(yáng)中微子的時(shí)候發(fā)現(xiàn)的。這一系列發(fā)現(xiàn)直接證明了中微子具有非零質(zhì)量，為此獲得了 2015 年諾貝爾獎(jiǎng)。中微子振蕩和中微子質(zhì)量的關(guān)系可以通過“反證法”來理解：零質(zhì)量的粒子一定是以光速傳播的，在這個(gè)極限運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中，粒子的時(shí)間是停滯的，因此不可能出現(xiàn)不同味道中微子的轉(zhuǎn)化！中微子質(zhì)量是第一個(gè)超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的確鑿證據(jù)。我國(guó)的大科學(xué)裝置也是中微子振蕩研究的重要力量：2012 年大亞灣實(shí)驗(yàn)通過反應(yīng)堆中微子首次觀察到了第三種中微子振蕩模式，而三種中微子的質(zhì)量順序則是正在建設(shè)的江門中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）的最核心科學(xué)目標(biāo)。</h3></br><h3>組成物質(zhì)的基本粒子都有對(duì)應(yīng)的反粒子，比如電子和正電子，它們電荷相反，但其它性質(zhì)都一樣。中微子不帶電，是唯一可能是其自身反粒子的基本粒子，這個(gè)觀點(diǎn)是 1937 年意大利物理學(xué)家馬約拉納（Majorana）提出的，現(xiàn)今這類粒子被統(tǒng)稱為馬約拉納費(fèi)米子。馬約拉納中微子由于能為中微子的微小質(zhì)量提供完美解釋，可能還和宇宙演化中的反物質(zhì)消失之謎緊密相關(guān)，所以備受理論物理學(xué)家的青睞，但目前還沒有被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。</h3></br><h3>尋找馬約拉納中微子的黃金通道就是所謂的無(wú)中微子雙貝塔衰變。貝塔衰變是原子核少數(shù)幾種可能的衰變形式之一。在這個(gè)過程中，一個(gè)中子會(huì)變成一個(gè)質(zhì)子，放出一個(gè)電子和一個(gè)反中微子，電子和反中微子都會(huì)帶走一部分衰變能量。有一些原子核，單個(gè)貝塔衰變?cè)谀芰可媳唤?，但允許兩個(gè)貝塔衰變同時(shí)發(fā)生，即“雙中微子”雙貝塔衰變，它在放出兩個(gè)電子的同時(shí)，放出兩個(gè)反中微子。該過程極其稀有，1935 年被提出，直到 1987 年才首次被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。更加奇妙的無(wú)中微子雙貝塔衰變于 1939 年由 Furry 提出，簡(jiǎn)單來說，就是其中的一個(gè)反中微子“變身”成了中微子，碰上了另一個(gè)反中微子后“正反相消”了，從而兩個(gè)末態(tài)的電子就攜帶了衰變放出的所有能量（見圖 2）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)信號(hào)就是一個(gè)單能峰，但至今還未被找到。同中微子振蕩非常類似，這種現(xiàn)象可以看作是“正反中微子振蕩”，也要求中微子具有非零的質(zhì)量。反過來，對(duì)無(wú)中微子雙貝塔衰變半衰期的實(shí)驗(yàn)限制，也可以用來限制中微子的質(zhì)量特性，參數(shù)空間通?？梢员憩F(xiàn)在所謂馬約拉納中微子質(zhì)量和最輕中微子質(zhì)量的兩維空間（見圖 7）。</h3></br> <h3>圖?2，無(wú)中微子雙貝塔衰變示意圖（源自https://physics.aps.org/articles/v11/30）</h3></br><h3>為了探尋無(wú)中微子雙貝塔衰變，首先需具備大量可進(jìn)行雙貝塔衰變的同位素，并進(jìn)行長(zhǎng)期的測(cè)量。常用的同位素包括鈣-48、鍺-76、硒-82、鉬-100、碲-130、氙-136 等。除了少數(shù)自然豐度較高的同位素外，其余大部分需要進(jìn)行富集。在過去幾十年中，國(guó)際上已有多個(gè)實(shí)驗(yàn)利用不同同位素搜尋無(wú)中微子雙貝塔衰變。對(duì)衰變末態(tài)的電子探測(cè)，實(shí)驗(yàn)手段豐富多樣，可根據(jù)探測(cè)器信號(hào)主要分為光、熱和電荷三類：1）熱信號(hào)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，如 CUORE，通過探測(cè)晶格的振動(dòng)（聲子）來測(cè)量粒子能量；2）光信號(hào)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，如 KamLAND-Zen、SNO+、CANDLES 等，通過光探測(cè)器捕捉帶電粒子穿過液體或晶體閃爍體時(shí)放出的閃爍光，以測(cè)量粒子能量；3）電荷探測(cè)實(shí)驗(yàn)主要基于高純鍺探測(cè)器，如 LEGEND，探測(cè)器為千克量級(jí)的二極管，帶電粒子在其中產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，可通過電極讀出。有些實(shí)驗(yàn)具備多重信號(hào)探測(cè)能力，如 CUPID 和 AMoRE，既探測(cè)熱信號(hào)，也探測(cè)光信號(hào)；基于液氙時(shí)間投影室的實(shí)驗(yàn)，如 EXO-200 和 nEXO，既探測(cè)電荷也探測(cè)光。根據(jù)雙貝塔衰變同位素和探測(cè)器的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)可以分為三類：1）把探測(cè)器放在同位素源附近；2）探測(cè)器本身由雙貝塔衰變同位素富集而成，僅測(cè)粒子能量；3）在第二類的基礎(chǔ)上增加粒子徑跡探測(cè)能力，用于鑒別粒子種類。</h3></br><h3>搜尋無(wú)中微子雙貝塔衰變要求極低的放射性本底。本底來源主要包括宇宙線及其帶來的放射性同位素、材料中的長(zhǎng)壽命放射性同位素如鈾和釷等、人造的同位素（主要由反應(yīng)堆泄漏和地表核試驗(yàn)帶來，如鈷-60, 銫-137, 銀-110m），以及各種來源的中微子。為避免宇宙線干擾，和暗物質(zhì)搜尋一樣，實(shí)驗(yàn)通常在地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。</h3></br><h3>當(dāng)前國(guó)際上對(duì)無(wú)中微子雙貝塔衰變的搜尋主要由基于鍺-76（GERDA）、碲-130（CUORE）和氙-136（EXO和KamLAND-ZEN）的實(shí)驗(yàn)主導(dǎo)。其中KamLAND-ZEN 利用氙-136 對(duì)馬約拉納中微子有效質(zhì)量的上限達(dá)到 36-156 meV/c2?的國(guó)際最好水平。目前各國(guó)都在規(guī)劃下一代更大體量的噸級(jí)富集同位素實(shí)驗(yàn)，包括 nEXO（美國(guó)為主）、KamLAND2-ZEN（日本）、LEGEND（歐美合作）、CUPID（歐美合作）等，將靈敏度瞄準(zhǔn)在 15 meV/c2，預(yù)期全面覆蓋中微子反質(zhì)量序?qū)?yīng)的參數(shù)空間，如圖 7 所示。美國(guó)核科學(xué)顧問委員會(huì)（NSAC）在《2023 年核科學(xué)長(zhǎng)期規(guī)劃》中將建設(shè)噸級(jí)馬約拉納中微子實(shí)驗(yàn)（LEGEND，nEXO，CUPID）列為最重要優(yōu)先級(jí)別。</h3></br><strong>三</strong><strong data-brushtype="text">我國(guó)在該領(lǐng)域的研究積累和未來規(guī)劃</strong><h3>暗物質(zhì)和中微子的馬約拉納屬性均是理解宇宙組成、形成與演化的最根本的問題，重要性在國(guó)際科學(xué)界早有共識(shí)，也是美國(guó)和歐洲的粒子物理、核物理和天體物理領(lǐng)域規(guī)劃中最高優(yōu)先級(jí)的科學(xué)研究之一。在過去的十多年中，依托位于四川大涼山地區(qū)的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室國(guó)際埋深最深的實(shí)驗(yàn)條件，我國(guó)主導(dǎo)的 PandaX（Particle and Astrophysical Xenon Experiments）實(shí)驗(yàn)和 CDEX（China Dark Matter Experiment ）實(shí)驗(yàn)已開展了十余年暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)出多次國(guó)際領(lǐng)先的成果，并且在無(wú)中微子雙貝塔衰變方面也都取得重要進(jìn)展。目前，國(guó)家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一——中國(guó)錦屏實(shí)驗(yàn)室二期已經(jīng)投入運(yùn)行，成為不僅是世界埋深最深，且規(guī)模最大的深地實(shí)驗(yàn)室（見圖 5）。錦屏實(shí)驗(yàn)室二期具有 8 個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)大廳，總?cè)莘e約 33 萬(wàn)立方米，埋深約 2400 米巖石，并可以方便地通過隧道進(jìn)出，為我國(guó)未來研究的發(fā)展提供了得天獨(dú)厚的平臺(tái)條件。</h3></br> <h3>圖 3，世界各大深地實(shí)驗(yàn)室宇宙射線率、埋深和總體量，源自?Annu. Rev. Nucl. Part. Sci., Vol. 67: 231 (2017)</h3></br><h3>PandaX 項(xiàng)目組成立于 2009 年，采用液氙 TPC 技術(shù)開展暗物質(zhì)研究。其主要探測(cè)機(jī)理是基于暗物質(zhì)與氙碰撞產(chǎn)生核反沖信號(hào)，而普通物質(zhì)與氙反應(yīng)則產(chǎn)生電子反沖信號(hào)，具體如圖 4 所示：暗物質(zhì)與氙原子碰撞并產(chǎn)生反沖信號(hào)，在探測(cè)器中以氙原子閃爍光和電離兩種形式釋放出能量。由于核反沖和電子反沖信號(hào)在閃爍光和電離信號(hào)上分配的能量比例不同，因此通過電離信號(hào)和閃爍光信號(hào)的比例可以有效區(qū)分暗物質(zhì)和本底。液氙 TPC 技術(shù)提供暗物質(zhì)與氙相互作用的“四維”信息（三維坐標(biāo)和能量），具有強(qiáng)大的自屏蔽能力和升級(jí)能力，為 PandaX 開展豐富的暗物質(zhì)和中微子研究提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)手段。</h3></br> <h3>圖 4，兩相型液氙 TPC 工作原理</h3></br><h3>（源自?Nature 618, June 1 2023）</h3></br><h3>項(xiàng)目組已完成的 PandaX-I（120公斤）和 PandaX-II（580公斤）實(shí)驗(yàn)已取得顯著成果，目前正在開展 PandaX-4T（3.7噸）實(shí)驗(yàn) ，代表性研究成果主要包括：1）PandaX-I 首個(gè)物理結(jié)果一舉排除了國(guó)際上暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的疑似信號(hào)；2）PandaX-II 和 PandaX-4T 取得對(duì)重質(zhì)量 WIMP 與核子自旋無(wú)關(guān)散射的最強(qiáng)限制，三次刷新世界紀(jì)錄，強(qiáng)烈排除了暗物質(zhì)通過標(biāo)準(zhǔn)模型Z玻色子與普通物質(zhì)相互作用的可能性；3）對(duì)暗物質(zhì)可能具有的電磁性質(zhì)給出了最強(qiáng)限制，成果在 Nature 上發(fā)表。此外，合作組利用探測(cè)器中約 9% 的核同位素氙-136，發(fā)表了首個(gè)利用自然氙探測(cè)器尋找無(wú)中微子雙貝塔衰變的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對(duì)雙中微子雙貝塔衰變的精確測(cè)量。</h3></br> <h3>圖 5，位于中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的 PandaX-4T 實(shí)驗(yàn)</h3></br><h3>同 PandaX 實(shí)驗(yàn)類似，CDEX 也是通過測(cè)量暗物質(zhì)與探測(cè)器靶標(biāo)的原子核碰撞后產(chǎn)生的核反沖信號(hào)來直接探測(cè)暗物質(zhì)，但側(cè)重于低質(zhì)量區(qū)域。CDEX 實(shí)驗(yàn)采用高純鍺技術(shù)路線。高純鍺是一種半導(dǎo)體材料，純度非常高，因此探測(cè)器自身放射性水平很低；同時(shí)，作為一種半導(dǎo)體探測(cè)器，其平均電離能小，具有能量閾值低、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)低質(zhì)量的暗物質(zhì)具有更好的靈敏度。CDEX 實(shí)驗(yàn)主要依靠反符合甄別技術(shù)、體事例/表面事例甄別方法來區(qū)分暗物質(zhì)和本底事例。合作組于 2010 年起，經(jīng)歷了 CDEX-1（一公斤高純鍺）、CDEX-10（十公斤高純鍺）階段，對(duì)低質(zhì)量暗物質(zhì)（1~10 GeV）的探測(cè)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表了數(shù)個(gè)重要結(jié)果，包括其一公斤級(jí)探測(cè)器排除了國(guó)際實(shí)驗(yàn) CoGeNT 和 DAM-LIBRA 的暗物質(zhì)信號(hào)，升級(jí)后的探測(cè)器十公斤級(jí)探測(cè)器對(duì) 4~5 GeV 暗物質(zhì)取得國(guó)際領(lǐng)先限制。此外，CDEX-1 也基于自然鍺中約 7.8% 的鍺-76 開展了對(duì)無(wú)中微子雙貝塔衰變的搜尋。</h3></br><h3>此外，在無(wú)中微子雙貝塔衰變上，我國(guó)科學(xué)家還提出了其他多種實(shí)驗(yàn)方案，包括 JUNO 實(shí)驗(yàn)升級(jí) （氙-136 或碲-130）、CUPID-China（鉬-100）、NvDEx（硒-82），各具特色。其中 JUNO 升級(jí)方案計(jì)劃在 2030 年左右反應(yīng)堆中微子測(cè)量結(jié)束后，將氙-136 或碲-130 溶在液態(tài)閃爍體中，通過光信號(hào)測(cè)量其雙貝塔衰變的能量，方法類似于日本正在運(yùn)行的 KamLAND-Zen（氙-136）和加拿大的 SNO+（碲-130），但在探測(cè)器體量和能量分辨率上有顯著優(yōu)勢(shì)。CUPID-China 計(jì)劃采用 CUPID 類似低溫晶體，并研發(fā)新型聲子、光子讀出方案；NvDEx 則采用氣體時(shí)間投影室配合新型的電荷讀出裝置，同時(shí)測(cè)量能量和粒子徑跡。</h3></br><h3>應(yīng)當(dāng)看到，暗物質(zhì)和無(wú)中微子貝塔衰變的實(shí)驗(yàn)搜尋都追求極致的本底控制，且探測(cè)手段也頗為相似。主要區(qū)別在于兩者信號(hào)的能區(qū)不同，暗物質(zhì)的反沖能是 keV 量級(jí)，而無(wú)中微子貝塔衰變能量是在 MeV 量級(jí)。另外，馬約拉納中微子實(shí)驗(yàn)需要富集大量同位素。另一方面，依托我國(guó)錦屏極深地下實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)，PandaX 和 CDEX 的未來實(shí)驗(yàn)則旨在打造“一機(jī)兩用”的探測(cè)器，即一個(gè)探測(cè)器可同時(shí)對(duì)暗物質(zhì)和馬約拉納中微子進(jìn)行探測(cè)。在 PandaX-4T 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的同時(shí)，PandaX 合作組已開始規(guī)劃下一代數(shù)十噸級(jí)液氙 TPC，即 PandaX-xT 實(shí)驗(yàn)，旨在提升暗物質(zhì)直接探測(cè)靈敏度，同時(shí)利用自然氙中約 9% 豐度的氙-136 對(duì)無(wú)中微子雙貝塔衰變做出精確測(cè)量。CDEX 合作組當(dāng)前正建設(shè) CDEX-300v（300 公斤級(jí)富集鍺-76 探測(cè)器）并以噸級(jí)探測(cè)器（CDEX-1T）為終極目標(biāo)，同時(shí)對(duì)鍺-76無(wú)中微子雙貝塔衰變和輕暗物質(zhì)進(jìn)行搜尋。</h3></br><h3>我國(guó)在暗物質(zhì)探測(cè)和無(wú)中微子雙貝塔衰變測(cè)量領(lǐng)域已取得重要進(jìn)展。上述基于大科學(xué)裝置的“中國(guó)計(jì)劃”將為我國(guó)暗物質(zhì)探測(cè)和中微子物理研究突破提供激動(dòng)人心的契機(jī)，有望在未來 15 年左右實(shí)現(xiàn)以下科學(xué)目標(biāo)：</h3></br><strong>1</strong><h3>? ? ?將暗物質(zhì)探測(cè)的靈敏度較當(dāng)前實(shí)驗(yàn)提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì) WIMP 模型做出決定性判斷，如圖 6 所示。</h3></br><h3> <h3>圖 6，未來 PandaX-xT 在 200 噸·年的曝光量下和 CDEX-1T 在 1 噸·年的曝光量下對(duì) WIMP-核子反應(yīng)截面的預(yù)期靈敏度。國(guó)際當(dāng)前有代表性的一些實(shí)驗(yàn)的排除上限見圖例，兩個(gè)圈的區(qū)域?yàn)槌瑢?duì)稱理論預(yù)言的 WIMP 暗物質(zhì)可能的參數(shù)空間。粉色區(qū)域代表中微子地板</h3></br><strong>2</strong><h3>? ? ? 搜尋無(wú)中微子雙貝塔衰變，對(duì)馬約拉納中微子有效質(zhì)量給出最強(qiáng)的限制，全面覆蓋中微子質(zhì)量反序?qū)?yīng)的參數(shù)空間，如圖 7 所示。</h3></br><h3> <p class="ql-block">圖 7，未來國(guó)際無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)在馬約拉納中微子質(zhì)量和最輕中微子質(zhì)量?jī)删S空間的預(yù)期的靈敏度，淺綠和灰色區(qū)域分別對(duì)應(yīng)中微子質(zhì)量反序和正序的可能的參數(shù)空間。右邊三個(gè)線段分別代表目前國(guó)際上的 GERDA（鍺-76）、CUORE（碲-130）和 KamLAND-Zen（氙-136）實(shí)驗(yàn)給出的馬約納中微子質(zhì)量上限，線段長(zhǎng)度來源于核物理方面的不確定性。下一代我國(guó) PandaX-xT、CDEX-1T 和 JUNO 升級(jí)的預(yù)期靈敏度由淺紫色區(qū)域示意</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>3</b></p><p class="ql-block">     探測(cè)太陽(yáng)中微子、大氣中微子等天體中微子及其他稀有信號(hào)：極致的暗物質(zhì)探測(cè)器將可以探測(cè)到來自太陽(yáng)和大氣中微子與原子核碰撞的信號(hào)（所謂的“中微子地板”，見圖 6），從而開展各種前沿的中微子物理和新物理研究。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b> 結(jié)   語(yǔ)</b></p><p class="ql-block"><b><span class="ql-cursor">?</span></b></p><p class="ql-block">對(duì)于暗物質(zhì)的探測(cè)以及中微子馬約拉納屬性的判斷，將為人類進(jìn)一步從根本上理解宇宙的起源和演化以及物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)打開新的大門。應(yīng)該看到，國(guó)際上對(duì)這些問題已經(jīng)開展了近百年的探索，也一直期望實(shí)驗(yàn)上的突破，我國(guó)如果希望在這方面取得突破，必須踏踏實(shí)實(shí)地長(zhǎng)期積累。經(jīng)過過去十余年的發(fā)展，我國(guó)在中微子和暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，已經(jīng)有數(shù)個(gè)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了能夠與國(guó)際同行同臺(tái)競(jìng)技的水平，錦屏深地實(shí)驗(yàn)室更是為我國(guó)創(chuàng)造了絕佳的研究平臺(tái)。我國(guó)科學(xué)家應(yīng)當(dāng)基于自身的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期堅(jiān)持，抓住科學(xué)突破的可能契機(jī)，為我國(guó)搶占未來科技競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。</p><p class="ql-block"><br></p>

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暗物質(zhì)探測(cè)和無(wú)中微子雙貝塔試驗(yàn)

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