<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，對宇宙和星系的形成與演化起了主導(dǎo)作用，但目前我們對暗物質(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動而提出來的?，F(xiàn)代的宇宙學(xué)觀測，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，對于暗物質(zhì)的其他性質(zhì)，特別是粒子屬性我們還一無所知。</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)量僅次于光子，每秒鐘約有1015 個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，只有觀測到一種極其稀有的無中微子雙貝塔衰變，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)碰撞信號和無中微子雙貝塔衰變均屬極其稀有事件，實驗研究過程中均要求極致的本底控制，同時需要大體量的探測器以及復(fù)雜的信號探測與數(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">本文將簡要概述國際上關(guān)于暗物質(zhì)和無中微子雙貝塔衰變的實驗研究現(xiàn)狀，并闡述我國科學(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)觀測表明，宇宙中存在大量看不見的物質(zhì)——“暗物質(zhì)”，其對宇宙和星系的形成與演化起了主導(dǎo)作用。基于宇宙中微波背景輻射各向異性觀測和標(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驗中明確探測到暗物質(zhì)，我們對其本質(zhì)還知之甚少。一種觀點曾認(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有引力。這種新粒子恰好在早期宇宙適當(dāng)?shù)臅r刻熱解耦，產(chǎn)生今天宇宙中觀測到的暗物質(zhì)密度，同時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)探測領(lǐng)域不時地為人們帶來驚喜。這些驚喜源自空間和地下的實驗，基于不同的探測機(jī)理、在不同的信號通道上均傳出超出預(yù)期的信號。部分疑似暗物質(zhì)信號后續(xù)實驗已予以排除，然而另一些依然懸而未決，亟待進(jìn)一步檢驗。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"> 2010 年前后，國際上數(shù)個地下實驗觀測到超出本底預(yù)期的信號，并被解釋為 20 GeV 左右的暗物質(zhì)信號。這些實驗包括基于晶體探測器的 DAMA-LIBRA 實驗（NaI晶體）和 CRESST-II 實驗（CaWO4 晶體）、基于半導(dǎo)體探測技術(shù)的CDMS-Si 實驗（極低溫 Si 半導(dǎo)體）和 CoGENT 實驗（Ge 半導(dǎo)體）。這一系列結(jié)果曾在國際范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注，但后續(xù)實驗很快排除了這些疑似事例。2020 年，XENON1T 實驗發(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軸子解釋。然而，近期 XENON1T 的升級實驗XENONnT 已排除這種太陽軸子解釋的可能性。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"> 在過去十余年間，除地下實驗外，空間實驗亦探測到了許多令人鼓舞的超出信號。然而，由于對天體物理本底的精確測量不足，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 實驗發(fā)布了精確的正電子比例觀測結(jié)果，確認(rèn)了 PAMELA 衛(wèi)星于 2009 年觀測到的正電子流強(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（HAWC）對 Geminga 和 PSR B0656+14 的觀測顯示，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 等實驗觀測到的正電子超出，但是對該超出的暗物質(zhì)解釋也依然是眾說紛紜。特別值得一提的是，我國 2015 年發(fā)射的暗物質(zhì)探測衛(wèi)星“悟空”精確測量了宇宙線電子（不區(qū)分正負(fù)電子）能譜，并在 ～TeV 處觀測到“拐折”以及在～1.4 TeV 的疑似超出。對這些超出的解釋強(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。</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 實驗還觀測到了反物質(zhì)的超出。2016 年，AMS-02 首次發(fā)布了宇生反質(zhì)子的測量結(jié)果。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在低能區(qū)（動能為幾個 GeV）超出宇宙線的本底，可以用 20~80 GeV 的暗物質(zhì)信號來解釋。 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。雖然后來 FERMI-LAT 對白矮星系的觀測未能發(fā)現(xiàn)與銀心同樣的超出，但多項研究表明，對白矮星系的觀測結(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 實驗公布了其關(guān)于宇生反氦的觀測結(jié)果，共發(fā)現(xiàn)了 8 個反氦事例（包括 6個反氦-3 和 2個反氦-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，但對于暗物質(zhì)“獵手們”來講無疑是極其鼓舞人心。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block"><b>（二）國際暗物質(zhì)探測大科學(xué)裝置前沿</b></p><p class="ql-block"> 暗物質(zhì)探測實驗假設(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、間接和實驗室產(chǎn)生三種方式開展探測，原理見圖 1。目前暗物質(zhì)探測實驗在全世界范圍內(nèi)如火如荼地開展，國際競爭激烈。圍繞國際上已投入運行的項目，本節(jié)將著重介紹與我國暗物質(zhì)實驗布局相關(guān)的國際暗物質(zhì)探測大裝置，主要集中在地下實驗和空間實驗兩方面。</p><p class="ql-block"><br></p> <h3>圖 1，暗物質(zhì)多種實驗探測方式的原理示意圖</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作為“黃金探針”。此后，國際上大量的實驗涌現(xiàn)，在國際各大深地實驗室中，以多種探測手段搜尋 WIMP。經(jīng)過近 30 年的發(fā)展，“兩相型”液氙時間投影室（簡稱“液氙TPC ”，Time Projection Chamber）以其突出的探測性能、強(qiáng)大的本底甄別本領(lǐng)和優(yōu)越的升級能力脫穎而出，成為當(dāng)今世界上對暗物質(zhì)，尤其是重質(zhì)量暗物質(zhì)探測最為靈敏的技術(shù)手段。在最新一輪的國際競爭中，液氙暗物質(zhì)實驗在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)“三足鼎立”態(tài)勢，包括我國的 PandaX-4T（有效質(zhì)量約 4 噸）、歐洲的XENONnT（有效質(zhì)量約 6 噸）和美國的 LZ （有效質(zhì)量約 7 噸）。位于我國四川錦屏地下實驗室的 PandaX-4T 實驗率先完成建設(shè)，并于 2021 年發(fā)布 0.63 ?噸·年的試運行結(jié)果，取得了暗物質(zhì)與核子的自旋無關(guān)散射截面最強(qiáng)的限制。一年后，XENONnT 和 LZ 幾乎同時發(fā)布了其首個暗物質(zhì)研究結(jié)果，其中 LZ 實驗對暗物質(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 個數(shù)量級的參數(shù)空間待搜尋。根據(jù)美國 P5 規(guī)劃，作為第二代（G2）液氙探測器，XENONnT 和 LZ 將分別繼續(xù)運行至約 2028 年；隨后，雙方將尋求歐洲與美國實驗的合并升級，并已形成一個非正式合作框架（XLZD）。</h3></br><h3>與液氙 TPC 探測機(jī)理相同，還有一類實驗利用液氬作為媒介探測暗物質(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，也給該類型實驗帶來了挑戰(zhàn)。國際上幾個著名的液氬實驗，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)探測的核心挑戰(zhàn)在于如何突破傳統(tǒng)暗物質(zhì)探測中的動力學(xué)限制。目前，國際上主要有三種實驗方法：1）依靠探測器更低的閾值，提升對輕暗物質(zhì)碰撞的靈敏度。例如，美國采用極低溫量能器技術(shù)的 SuperCDMS 實驗，跳頻 CCD 技術(shù)的 SENSI 和 DAMIC 實驗，以及我國的 CDEX 點電極高純鍺實驗。這類實驗將探測器閾值降至 100 eV，從而對～GeV 的低質(zhì)量暗物質(zhì)探測更靈敏。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)提升對輕暗物質(zhì)的靈敏度；3）引入新的理論機(jī)制，例如對于每一種假設(shè)的相互作用，自然界均存在將暗物質(zhì)加速的機(jī)制，從而繞開探測器閾值的限制。綜合這些方法，暗物質(zhì)直接探測實驗可將探測靈敏區(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>在空間實驗方面，基于我國空間站的“高能宇宙輻射探測設(shè)施”（HERD）和“悟空”的下一代空間暗物質(zhì)探測實驗——甚大面積伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡（VLAST）對空間伽馬射線的觀測能力均將超過 FERMI-LAT，有望對銀心的伽馬超出進(jìn)行檢驗。得益于美國宇航局（NASA）2022 年對國際空間站軌道的維護(hù)，AMS-02 實驗預(yù)計將運行至 2032 年。同時，由 NASA 資助的高空氣球?qū)嶒灒℅APS）將計劃于 2024 年底在南極麥克默多科考站（McMurdo）升空。通過測量奇異核衰變產(chǎn)生的次級粒子來甄別反粒子，GAPS 對動能小于 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 實驗與 AMS-02 在能區(qū)上形成互補，通過不同的探測手段，有望對 AMS-02 觀測到的低能質(zhì)子超出和反氦事例進(jìn)行有效檢驗，并在低能反氘這一全新的信號通道有所突破。</h3></br><h3>除 WIMP 暗物質(zhì)外，國際上也有很多實驗瞄準(zhǔn)軸子暗物質(zhì)。當(dāng)前軸子探測實驗主要基于強(qiáng)磁場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 實驗，其探測能區(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 太陽望遠(yuǎn)鏡（Helioscope）實驗 CAST 以及其升級實驗IAXO 旨在尋找太陽軸子，而德國 DESY 的 ALPS-II 實驗則利用激光穿墻技術(shù)（Light-Shining Through A Wall），在強(qiáng)磁場下使用強(qiáng)激光產(chǎn)生軸子，然后在“墻”的另一端探測由軸子逆過程產(chǎn)生的光子。此外，國際上還有對人造光源或已知天體的各波段的高精度光譜、極化譜觀測，以及自旋相關(guān)的第五種力的精確測量等研究。我國科學(xué)家通過天體物理數(shù)據(jù)對軸子有不少唯像學(xué)的研究，最近也開始通過超導(dǎo)共振腔對軸子開展實驗尋找。同時，PandaX 和 CDEX 這些實驗也可以利用極低本底探測器中的電子反沖信號開展對太陽軸子與電子耦合的搜尋。</h3></br><strong>二</strong><strong data-brushtype="text">中微子和無中微子</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 實驗首次探測到反應(yīng)堆放出的反電子中微子（1995 年諾貝爾獎）。隨后不久，繆子中微子于 1962 年被 Lederman、Schwartz 和 Steinberger 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊在布魯克海文國家實驗室用加速器打靶實驗發(fā)現(xiàn)（1988年諾貝爾獎）。2000 年，費米實驗室的 DONUT 實驗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、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 年首次被探測到，與太陽中微子的發(fā)現(xiàn)共享了 2002 年諾貝爾獎。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的信息，但目前還沒有被實驗直接捕捉到。</h3></br><h3>中微子有一個奇特的性質(zhì)：在空間運動時味道會發(fā)生改變，即中微子振蕩。比如說，繆子中微子在飛行過程中，有一定幾率會變成陶子中微子。這種性質(zhì)最早是超級神岡實驗和 SNO 實驗分別在 1998 年測大氣中微子、2002 年測太陽中微子的時候發(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。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，在這個極限運動的坐標(biāo)系中，粒子的時間是停滯的，因此不可能出現(xiàn)不同味道中微子的轉(zhuǎn)化！中微子質(zhì)量是第一個超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的確鑿證據(jù)。我國的大科學(xué)裝置也是中微子振蕩研究的重要力量：2012 年大亞灣實驗通過反應(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)的江門中微子實驗（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，這個觀點是 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，但目前還沒有被實驗證實。</h3></br><h3>尋找馬約拉納中微子的黃金通道就是所謂的無中微子雙貝塔衰變。貝塔衰變是原子核少數(shù)幾種可能的衰變形式之一。在這個過程中，一個中子會變成一個質(zhì)子，放出一個電子和一個反中微子，電子和反中微子都會帶走一部分衰變能量。有一些原子核，單個貝塔衰變在能量上被禁止，但允許兩個貝塔衰變同時發(fā)生，即“雙中微子”雙貝塔衰變，它在放出兩個電子的同時，放出兩個反中微子。該過程極其稀有，1935 年被提出，直到 1987 年才首次被實驗證實。更加奇妙的無中微子雙貝塔衰變于 1939 年由 Furry 提出，簡單來說，就是其中的一個反中微子“變身”成了中微子，碰上了另一個反中微子后“正反相消”了，從而兩個末態(tài)的電子就攜帶了衰變放出的所有能量（見圖 2）。這個實驗信號就是一個單能峰，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，對無中微子雙貝塔衰變半衰期的實驗限制，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)行長期的測量。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，國際上已有多個實驗利用不同同位素搜尋無中微子雙貝塔衰變。對衰變末態(tài)的電子探測，實驗手段豐富多樣，可根據(jù)探測器信號主要分為光、熱和電荷三類：1）熱信號探測實驗，如 CUORE，通過探測晶格的振動（聲子）來測量粒子能量；2）光信號探測實驗，如 KamLAND-Zen、SNO+、CANDLES 等，通過光探測器捕捉帶電粒子穿過液體或晶體閃爍體時放出的閃爍光，以測量粒子能量；3）電荷探測實驗主要基于高純鍺探測器，如 LEGEND，探測器為千克量級的二極管，帶電粒子在其中產(chǎn)生電子－空穴對，可通過電極讀出。有些實驗具備多重信號探測能力，如 CUPID 和 AMoRE，既探測熱信號，也探測光信號；基于液氙時間投影室的實驗，如 EXO-200 和 nEXO，既探測電荷也探測光。根據(jù)雙貝塔衰變同位素和探測器的關(guān)系，實驗可以分為三類：1）把探測器放在同位素源附近；2）探測器本身由雙貝塔衰變同位素富集而成，僅測粒子能量；3）在第二類的基礎(chǔ)上增加粒子徑跡探測能力，用于鑒別粒子種類。</h3></br><h3>搜尋無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，實驗通常在地下實驗室進(jìn)行。</h3></br><h3>當(dāng)前國際上對無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）的實驗主導(dǎo)。其中KamLAND-ZEN 利用氙-136 對馬約拉納中微子有效質(zhì)量的上限達(dá)到 36-156 meV/c2?的國際最好水平。目前各國都在規(guī)劃下一代更大體量的噸級富集同位素實驗，包括 nEXO（美國為主）、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。美國核科學(xué)顧問委員會（NSAC）在《2023 年核科學(xué)長期規(guī)劃》中將建設(shè)噸級馬約拉納中微子實驗（LEGEND，nEXO，CUPID）列為最重要優(yōu)先級別。</h3></br><strong>三</strong><strong data-brushtype="text">我國在該領(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，重要性在國際科學(xué)界早有共識，也是美國和歐洲的粒子物理、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)的中國錦屏地下實驗室國際埋深最深的實驗條件，我國主導(dǎo)的 PandaX（Particle and Astrophysical Xenon Experiments）實驗和 CDEX（China Dark Matter Experiment ）實驗已開展了十余年暗物質(zhì)實驗，產(chǎn)出多次國際領(lǐng)先的成果，并且在無中微子雙貝塔衰變方面也都取得重要進(jìn)展。目前，國家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一——中國錦屏實驗室二期已經(jīng)投入運行，成為不僅是世界埋深最深，且規(guī)模最大的深地實驗室（見圖 5）。錦屏實驗室二期具有 8 個獨立的實驗大廳，總?cè)莘e約 33 萬立方米，埋深約 2400 米巖石，并可以方便地通過隧道進(jìn)出，為我國未來研究的發(fā)展提供了得天獨厚的平臺條件。</h3></br> <h3>圖 3，世界各大深地實驗室宇宙射線率、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。其主要探測機(jī)理是基于暗物質(zhì)與氙碰撞產(chǎn)生核反沖信號，而普通物質(zhì)與氙反應(yīng)則產(chǎn)生電子反沖信號，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，在探測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在閃爍光和電離信號上分配的能量比例不同，因此通過電離信號和閃爍光信號的比例可以有效區(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)有力的實驗手段。</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>項目組已完成的 PandaX-I（120公斤）和 PandaX-II（580公斤）實驗已取得顯著成果，目前正在開展 PandaX-4T（3.7噸）實驗 ，代表性研究成果主要包括：1）PandaX-I 首個物理結(jié)果一舉排除了國際上暗物質(zhì)直接探測實驗中出現(xiàn)的疑似信號；2）PandaX-II 和 PandaX-4T 取得對重質(zhì)量 WIMP 與核子自旋無關(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，合作組利用探測器中約 9% 的核同位素氙-136，發(fā)表了首個利用自然氙探測器尋找無中微子雙貝塔衰變的實驗結(jié)果和對雙中微子雙貝塔衰變的精確測量。</h3></br> <h3>圖 5，位于中國錦屏地下實驗室的 PandaX-4T 實驗</h3></br><h3>同 PandaX 實驗類似，CDEX 也是通過測量暗物質(zhì)與探測器靶標(biāo)的原子核碰撞后產(chǎn)生的核反沖信號來直接探測暗物質(zhì)，但側(cè)重于低質(zhì)量區(qū)域。CDEX 實驗采用高純鍺技術(shù)路線。高純鍺是一種半導(dǎo)體材料，純度非常高，因此探測器自身放射性水平很低；同時，作為一種半導(dǎo)體探測器，其平均電離能小，具有能量閾值低、分辨率高的優(yōu)點，因此對低質(zhì)量的暗物質(zhì)具有更好的靈敏度。CDEX 實驗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，對低質(zhì)量暗物質(zhì)（1~10 GeV）的探測達(dá)到國際先進(jìn)水平，在國際頂級期刊發(fā)表了數(shù)個重要結(jié)果，包括其一公斤級探測器排除了國際實驗 CoGeNT 和 DAM-LIBRA 的暗物質(zhì)信號，升級后的探測器十公斤級探測器對 4~5 GeV 暗物質(zhì)取得國際領(lǐng)先限制。此外，CDEX-1 也基于自然鍺中約 7.8% 的鍺-76 開展了對無中微子雙貝塔衰變的搜尋。</h3></br><h3>此外，在無中微子雙貝塔衰變上，我國科學(xué)家還提出了其他多種實驗方案，包括 JUNO 實驗升級 （氙-136 或碲-130）、CUPID-China（鉬-100）、NvDEx（硒-82），各具特色。其中 JUNO 升級方案計劃在 2030 年左右反應(yīng)堆中微子測量結(jié)束后，將氙-136 或碲-130 溶在液態(tài)閃爍體中，通過光信號測量其雙貝塔衰變的能量，方法類似于日本正在運行的 KamLAND-Zen（氙-136）和加拿大的 SNO+（碲-130），但在探測器體量和能量分辨率上有顯著優(yōu)勢。CUPID-China 計劃采用 CUPID 類似低溫晶體，并研發(fā)新型聲子、光子讀出方案；NvDEx 則采用氣體時間投影室配合新型的電荷讀出裝置，同時測量能量和粒子徑跡。</h3></br><h3>應(yīng)當(dāng)看到，暗物質(zhì)和無中微子貝塔衰變的實驗搜尋都追求極致的本底控制，且探測手段也頗為相似。主要區(qū)別在于兩者信號的能區(qū)不同，暗物質(zhì)的反沖能是 keV 量級，而無中微子貝塔衰變能量是在 MeV 量級。另外，馬約拉納中微子實驗需要富集大量同位素。另一方面，依托我國錦屏極深地下實驗室的優(yōu)勢，PandaX 和 CDEX 的未來實驗則旨在打造“一機(jī)兩用”的探測器，即一個探測器可同時對暗物質(zhì)和馬約拉納中微子進(jìn)行探測。在 PandaX-4T 實驗運行的同時，PandaX 合作組已開始規(guī)劃下一代數(shù)十噸級液氙 TPC，即 PandaX-xT 實驗，旨在提升暗物質(zhì)直接探測靈敏度，同時利用自然氙中約 9% 豐度的氙-136 對無中微子雙貝塔衰變做出精確測量。CDEX 合作組當(dāng)前正建設(shè) CDEX-300v（300 公斤級富集鍺-76 探測器）并以噸級探測器（CDEX-1T）為終極目標(biāo)，同時對鍺-76無中微子雙貝塔衰變和輕暗物質(zhì)進(jìn)行搜尋。</h3></br><h3>我國在暗物質(zhì)探測和無中微子雙貝塔衰變測量領(lǐng)域已取得重要進(jìn)展。上述基于大科學(xué)裝置的“中國計劃”將為我國暗物質(zhì)探測和中微子物理研究突破提供激動人心的契機(jī)，有望在未來 15 年左右實現(xiàn)以下科學(xué)目標(biāo)：</h3></br><strong>1</strong><h3>? ? ?將暗物質(zhì)探測的靈敏度較當(dāng)前實驗提升兩個數(shù)量級，對 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 WIMP-核子反應(yīng)截面的預(yù)期靈敏度。國際當(dāng)前有代表性的一些實驗的排除上限見圖例，兩個圈的區(qū)域為超對稱理論預(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>? ? ? 搜尋無中微子雙貝塔衰變，對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，未來國際無中微子雙貝塔衰變實驗在馬約拉納中微子質(zhì)量和最輕中微子質(zhì)量兩維空間的預(yù)期的靈敏度，淺綠和灰色區(qū)域分別對應(yīng)中微子質(zhì)量反序和正序的可能的參數(shù)空間。右邊三個線段分別代表目前國際上的 GERDA（鍺-76）、CUORE（碲-130）和 KamLAND-Zen（氙-136）實驗給出的馬約納中微子質(zhì)量上限，線段長度來源于核物理方面的不確定性。下一代我國 PandaX-xT、CDEX-1T 和 JUNO 升級的預(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"> 探測太陽中微子、大氣中微子等天體中微子及其他稀有信號：極致的暗物質(zhì)探測器將可以探測到來自太陽和大氣中微子與原子核碰撞的信號（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</b></p><p class="ql-block"><b><span class="ql-cursor">?</span></b></p><p class="ql-block">對于暗物質(zhì)的探測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，國際上對這些問題已經(jīng)開展了近百年的探索，也一直期望實驗上的突破，我國如果希望在這方面取得突破，必須踏踏實實地長期積累。經(jīng)過過去十余年的發(fā)展，我國在中微子和暗物質(zhì)實驗領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展，已經(jīng)有數(shù)個具有獨特優(yōu)勢的實驗，實現(xiàn)了能夠與國際同行同臺競技的水平，錦屏深地實驗室更是為我國創(chuàng)造了絕佳的研究平臺。我國科學(xué)家應(yīng)當(dāng)基于自身的優(yōu)勢，長期堅持，抓住科學(xué)突破的可能契機(jī)，為我國搶占未來科技競爭制高點。</p><p class="ql-block"><br></p>