世界各地都在尋找可以解開一個巨大反物質之謎的奇異“Majorana”粒子_風聞

眾所周知，意大利物理學家埃託雷·馬約拉納 (Ettore Majorana) 於 1938 年消失得無影無蹤。他最喜歡的基本粒子，中微子，可能也有類似的消失行為。世界各地的一些新的或升級的實驗正在競相證明，一種通常會產生兩個中微子的極其罕見的核衰變有時可能不會產生任何中微子。

與探測暗物質的努力相比，這些實驗獲得的資金或關注較少，但它們對物理學的影響可能同樣重要。粒子消失的現象表明，中微子和反中微子，它們的反物質對應物，是同一個東西——馬約拉納在 1930 年代首次提出了理論1的可能性。

這種“Majorana 中微子”可能是理解為什麼宇宙似乎包含很少反物質的關鍵（參見“如果中微子是 Majorana 粒子，可以回答的問題”）。此外，他們將證明，與所有其他已知的物質粒子（例如電子或夸克）不同，中微子的質量並非來自希格斯玻色子。

德雷塞爾大學的實驗物理學家米歇爾·多林斯基 (Michelle Dolinski) 表示，物理學家們幾十年來一直在尋找中微子的消失，但現在搜索量急劇增加，這意味着他們“有一個非常好的機會”用下一代設備檢測它在賓夕法尼亞州費城。

現在在線或在日本、韓國、意大利、加拿大和美國進行的實驗比上一代更靈敏一個數量級，並且計劃中的未來探測器將在此基礎上再提高兩個數量級（參見“周圍的實驗”）世界’）。2015 年，美國能源部的一個諮詢委員會將此類項目確定為優先事項，並承諾資助一項檢測馬約拉納中微子的實驗——估計成本高達/約 2.5 億美元——被認為迫在眉睫。

漫長的等待

每當不穩定原子核中的質子衰變成中子時，就會產生中微子或反中微子，反之亦然。這個過程被稱為 β-衰變，它也會射出一個電子或其反粒子——統稱為 β-粒子。

一名男子站在 LEGEND-200 實驗的水箱中。中心的低温恆温器使鍺 76 目標保持低温。圖片來源：Kai Freund/GERDA 合作

1935 年，諾貝爾獎得主物理學家 Maria Goeppert-Mayer 預測2某些原子核可以通過將其中的兩個中子同時轉換為質子（反之亦然），從而發出兩個 β 粒子來衰變。這種“雙β衰變”也應該產生兩個中微子或反中微子。Goeppert-Mayer 的計算被發現是正確的，但這種類型的衰變極為罕見：一個案例3，碲 128 到氙 128 的嬗變，具有任何核反應中最長的已知半衰期，超過 10 24年，或 100 億年。

在 Goeppert-Mayer 的論文發表四年後，物理學家温德爾·弗瑞 (Wendell Furry) 指出4如果馬約拉納是對的並且中微子是它們自己的反粒子，那麼雙重衰變的原子核發出的兩個中微子偶爾會相互湮滅，因此原子核只會發射電子。

測試馬約拉納中微子存在的實驗試圖檢測這種無中微子雙 β 衰變。從概念上講，這非常簡單：取一大塊可能經歷這一過程的材料，並儘可能長時間地觀察它，看看它是否會發射兩個攜帶特定能量的電子。

但是，如果存在無中微子放射性，它將是迄今為止已知的最慢的核衰變形式：至少比普通的雙 β 衰變少兩個數量級。迄今為止最好的結果——來自意大利中部地下格蘭薩索國家實驗室的鍺探測器陣列 (GERDA) ——發現5，該過程的一種候選物鍺 76 的半衰期必須超過 1.8 × 10 26年。這大約是宇宙年齡的 10 千萬億倍。

當關於罕見放射性衰變的實驗增加了它們的能力或只是積累了大量數據時，通常會發生兩種情況之一：要麼最終觀察到他們正在尋找的反應，要麼提高其半衰期的閾值。因此，對半衰期設置限制的可能性可以衡量實驗的靈敏度。

現在開始或處於計劃階段的實驗旨在比 GERDA 有效約 100 倍——將半衰期限制為 10 28年或更長。

世界各地的實驗許多團隊——使用各種方法——正在競相尋找中微子衰變的證據並證明馬約拉納粒子的存在。

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提高靈敏度的一種常見策略是降低背景噪聲，例如探測器內部或周圍的放射性雜質，這些雜質可能會產生看起來像帶有馬約拉納中微子特徵的電子對的錯誤信號。一些團隊不遺餘力地消除這些。“如果你撿起一點點灰塵，它可能是百萬分之一的放射性；我們的材料通常是萬億分之一，”多林斯基説，他是富氙天文台 (EXO-200) 的發言人，這是最近在新墨西哥州卡爾斯巴德附近的地下廢物隔離試驗廠完成的馬約拉納中微子實驗。

Gran Sasso 的另一項實驗——罕見事件低温地下天文台（CUORE，意大利語意為“心臟”）——將其探測器的核心温度保持在 0.01 開爾文，以幫助它區分各種信號；它被描述為“宇宙中最冷的立方米”。CUORE 還使用4 噸從沉船中回收的具有特別低放射性的古羅馬鉛來保護其碲目標。

在所有現有實驗中，GERDA 在降低背景噪聲方面最為成功：在其大約十年的運行中，它看到了模仿 Majorana-中微子特徵的基本上零事件。

意大利帕多瓦大學的物理學家發言人 Riccardo Brugnera 表示，至關重要的是，鍺探測器浸入了大約 85 開爾文的液態氬氣罐中，它具有三重作用。它使鍺保持低温；它可以屏蔽外界輻射；它充當探測器，清除可能仍會穿透核心的輻射信號。

GERDA 去年被拆除，因為其團隊與美國領導的名為 MAJORANA 的合作機構聯手建造了一個更大的探測器：LEGEND-200，其目標是由 200 公斤的鍺 76 製成。Gran Sasso 目前正在建設中，將於 11 月開始採集數據。放大目標的大小會增加看到衰減的幾率。“你還需要一個大質量，否則你將不得不等待幾個世紀，”布魯涅拉説。

其他實驗通過依靠目標的絕對大小達到了對 GERDA 的類似敏感性。在日本和加拿大的地下實驗室，物理學家重新利用了最初用於捕捉中微子的大型探測器。日本的 KamlandZen800 有大約 750 公斤的氙 136，而加拿大的 SNO+ 將有 1,300 公斤的碲130。兩個實驗都發現了高能粒子在穿過裝有數百噸礦物油的儲罐時產生的光條紋。

在爭取資金

Dolinski 的 EXO-200 開創了另一種方法，它使用 200 公斤液態氙 136。氙既作為無中微子衰變的候選同位素，又作為顯示電子的介質。類似的基於氙氣的探測器被調整為從太空捕捉粒子，對暗物質進行了最廣泛的搜索。

加利福尼亞州斯坦福大學的物理學家喬治·格拉塔 (Giorgio Gratta) 在 2000 年代初幫助構思了它，他説，成本不到 1500 萬美元，EXO-200“是在雷達下建造的，忽略了很多官僚主義”。Gratta 希望美國能源部的預期資金將用於一個名為 nEXO 的更具雄心的版本，該版本將擁有 5 噸氙氣，成本約為 2.5 億美元。

nEXO 的競爭對手中有 LEGEND-200 團隊，該團隊提議擴大到“LEGEND-1000”實驗，使用 1 噸鍺 76。

物理學家説，在競賽中擁有各種大型探測器至關重要。無中微子衰變的第一個跡象將顯示為數據中的一個小凸起，其他實驗將需要重複這些發現。“首先需要做的是，你必須用不同的同位素來確認它，”CUORE 發言人、格蘭薩索的物理學家 Carlo Bucci 説。

然而，不能保證這些實驗中的任何一個都能在短期內表明中微子是馬約拉納粒子。領先的理論模型預測它們應該如此，但這些模型部分基於對中微子質量的猜測。儘管如此，大多數物理學家認為這是時間問題，而不是如果。然後，至少有一個與埃託雷·馬約拉納有關的消失行為將得到解決。

如果中微子是馬約拉納粒子，可以回答的問題如果中微子同時是物質和反物質，它可能有助於回答基礎物理學中的許多主要問題。

1. 所有的反物質都去哪兒了？如果中微子是馬約拉納粒子，它可能有助於解釋為什麼宇宙包含的物質遠遠多於反物質。大爆炸應該創造了相等數量的每一種。但是，物質在熱的原始湯中亞原子粒子之間的反應中存活的機會要稍好一些，從而導致當前的不平衡。最大的問題是為什麼。普通的雙β衰變產生兩個電子和兩個反中微子，所以它不會改變粒子和反粒子的平衡。但是無中微子雙 β 衰變只會產生兩個電子，從而導致宇宙粒子數量的淨增加。

2. 中微子的質量從何而來——它們有多少？在 1970 年代制定的粒子物理學標準模型中，夸克和電子的質量來自希格斯玻色子，而中微子的質量為零。然後，在 1990 年代，物理學家發現中微子確實有質量——儘管具體有多少未知。如果中微子是馬約拉納粒子，它們的質量來自希格斯粒子以外的機制。此外，測量無中微子衰變的頻率將間接測量反中微子（因此是中微子）的質量，因為粒子越大，它們相互湮滅的可能性就越大。

3. 為什麼中微子總是以同樣的方式旋轉？與電子等粒子不同，中微子總是向一個方向旋轉：它們的軸總是被觀察到與它們的運動方向一致，它們的旋轉總是“左旋”或逆時針旋轉。反中微子只在右手自旋中被觀察到。當物理學家制定標準模型時，他們嵌入了這種不對稱性。但如果中微子是馬約拉納粒子，那意味着反中微子可能只是向相反方向旋轉的中微子。