中微子是自己的反粒子嗎？

1938年3月25日晚上，意大利物理學家埃託雷·馬約拉納登上從巴勒莫開往那不勒斯的輪船，之後卻永遠地消失了, 年僅32歲。馬約拉納去哪兒了？這是世界的未解之謎，而以其名字命名的“馬約拉納”粒子——粒子與其反粒子等同的費米子是否存在，則是物理學界的一個未解之謎。

英國《自然》網站近日報道，中國、美國、意大利、日本等國已建成（或將建）多款探測器，正在（或計劃）搜尋無中微子雙β衰變（NLDBD）現象，以證明中微子就是馬約拉納粒子。

罕見衰變：破解大謎團的關鍵

1935年，諾貝爾獎獲得者、物理學家瑪麗亞·戈佩特·梅耶爾預測，某些原子核內的兩個中子會同時衰變成兩個質子，放出兩個β粒子（電子），這種“雙β衰變”也應該產生兩個反中微子。梅耶爾的計算被證明是正確的，但這種衰變極其罕見。

4年後，美國物理學家文德爾·弗裏指出，如果中微子是自身的反粒子且質量不為零，那麼某一類特殊的原子核就不僅會發生產生中微子的雙β衰變，還會發生正反中微子相互湮滅，即NLDBD現象。

自此，科學家們開始尋找NLDBD，以證明中微子是馬約拉納粒子。

上海交通大學物理與天文學院特別研究員韓柯對科技日報記者指出：“馬約拉納粒子可能是揭示宇宙中正反物質不對稱之謎的關鍵，此外還能證明，與所有其他已知基本粒子（如電子或夸克）不同，中微子的質量並不來自希格斯玻色子。”

韓柯解釋説，標準模型告訴我們，宇宙大爆炸應該產生了等量的正反物質，而正反物質相遇會湮滅，但現在的宇宙中正物質佔絕大多數，那麼反物質去哪兒了？普通的雙β衰變產生兩個電子和兩個反中微子，不會改變正反粒子的平衡，但NLDBD只會產生兩個電子，使宇宙中正物質的數量增加，從而有助於解釋為什麼宇宙中含有的物質比反物質多得多。

百舸爭流：探測器競相發力

為找到NLDBD，美國、意大利、日本、中國等都在對現有探測器進行升級，或計劃建造新探測器。

據韓柯介紹，美國早在2015年就把NLDBD實驗確立為下一代核物理實驗最重要的新方向。2019年，“富集氙觀測站”（EXO-200）將NLDBD的半衰期限制為3.5×1025年，目前實驗組正籌劃將其升級為5噸級的nEXO實驗。“馬約拉納”（MAJORANA）實驗也在利用高純鍺γ譜儀尋找鍺-76的NLDBD。暗物質探測器LZ也加入搜尋大軍之中。今年7月13—16日，美國能源部召開了NLDBD項目評審會，預期將選定一個到多個NLDBD實驗進行支持，總經費預算達2.5億美元。

在意大利，“稀有事件的低温地下觀測站”（CUORE）利用二氧化碲晶體來尋找NLDBD，日本則以KamLAND-Zen實驗為核心。

韓柯指出：“中國也有多款探測器正在或將開展此類探索。目前正在建造的中國錦屏地下實驗室為世界上最深的地下實驗室，是開展NLDBD實驗的理想場所。由上海交通大學牽頭的PandaX合作組，利用高壓氣體、液體時間投影室技術尋找氙-136的NLDBD。目前PandaX-4T液氙探測器已經開始運行，可利用探測器中約350公斤的氙-136來尋找NLDBD。由清華大學牽頭的“中國暗物質實驗”（CDEX）得出鍺-76的NLDBD半衰期下限為6.4×1022年，是國內首個鍺-76的NLDBD結果。由復旦大學主導的CUPID中國合作組和華中師範大學主導的NvDex實驗將分別利用光—熱雙讀出低温量能器技術和高壓氣體時間投影室技術在錦屏地下實驗室尋找NLDBD。”

“中國科學院高能物理研究所領導的江門中微子實驗將在廣東省江門市建成一個兩萬噸量級的大型液體閃爍體探測器，相關基礎設施與探測器建設正如火如荼地開展。合作組已經開展相關預研，考慮在其主要物理目標完成之後開展NLDBD研究。”韓柯進一步指出。

國際合作：協同探索有望獲佳績

韓柯強調説：“尋找NLDBD也離不開國際合作！”

據他介紹，GERDA、MAJORANA和CDEX聯合組建了LEGEND合作組，計劃開展噸量級鍺-76的NLDBD實驗。LEGEND合作組第一階段LEGEND-200實驗採用200公斤鍺-76晶體，在意大利展開研究；第二階段LEGEND-1000的噸級實驗預期半衰期靈敏度達1028年以上，目前實驗地點待定。

全世界主要科研大國的科學家都加強了對這一領域的研究。韓柯表示：“未來一二十年內，這一領域的主要目標是發現NLDBD或將其半衰期對應的馬約拉納有效質量降低到15毫電子伏特（meV）量級。”

LEGEND-200實驗的水箱，低温恆温器使鍺-76保持低温。圖片來源：《自然》網站