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科研进展

《Nature》: CUORE国际合作实验在中微子的基本属性研究上取得新进展

物理学家正在接近了解中微子的本质——

     或许也可能回答关于宇宙起源的基本物理问题

2022年4月6日意大利格兰萨索国家实验室和美国劳伦斯伯克利国家实验室 (LBL),同步举行新闻发布会,宣布无中微子双贝塔衰变(0vDBD)国际合作实验(CUORE:Cryogenic Underground Observatory for Rare Events)对中微子的奇异属性研究的最新进展。CUORE的最新结果对所谓的中微子马约拉纳属性给出了最严格的实验限制之一,成果在《自然》期刊在线发表(www.nature.com/articles/s41586-022-04497-4)。大发黄金版888官方app下载_G.1韩柯副教授自2009年开始参与CUORE实验,曾担任物理分析协调员组织CUORE-0数据分析工作。2016年代表上海交通大学加入合作组,目前主要兴趣是晶体量热器热传导模型研究和新型温度传感器的应用

CUORE实验是科学家们在极深的地下通过处于极低温环境的晶体来研究幽灵似的中微子的特性,希望寻找宇宙起源的秘密。该实验位于意大利中部亚平宁山脉最高的主峰之下1500多米的格兰萨索国家地下实验室,实验室隶属于意大利国家核物理研究院,是世界上规模最大的地下实验室之一。实验室上1500米的岩石屏蔽使宇宙射线的强度衰减了100万倍,这给寻找极端稀有事件提供了低本底的实验环境。CUORE实验的目的是寻找无中微子双贝塔衰变,从而验证中微子的马约拉纳特性,也就是说中微子是否是其自身的反粒子,这是粒子物理与核物理领域的重大科学问题之一,有可能帮助科学家回答为什么宇宙中的正物质远比反物质多,这是人类能够在宇宙中存在的根本原因之一。

CUORE实验通过206公斤极高纯度的130Te晶体来寻找可能发生的无中微子双贝特衰变。0vDBD是地球实验室中探索中微子马约拉纳属性的唯一可行方法,即便这种稀有过程发生,这种衰变的半衰期也至少要比宇宙的寿命长一亿亿倍。如果0vDBD发生,将给出马约拉纳中微子的绝对质量,从而得到超出粒子物理学标准模型新物理的确凿证据,由于此过程中没有中微子发射,也将直接打破标准模型中的轻子数守恒定律。

位于意大利格兰萨索国家地下实验室的CUORE探测器

CUORE探测器由19个极高纯度的TeO2晶体塔组成,每个晶体塔由52个晶体构成,988块TeO2晶体总重741公斤;另外CUORE合作组还设计建造了能够冷却19个晶体塔至绝对零度附近(10mK)的低温器。该低温器已于2014年9月份试运行,成功把1立方米的体积冷却到6mk,创造了宇宙中最冷的立方米。绝对零度附近的TeO2晶体是一个具有极高灵敏度的量热探测器,实验中通过TeO2晶体极其细小的温度变化(μK)来测量单次核衰变释放出来的能量。

CUORE探测器图片

CUORE合作组此次发布的最新结果是CUORE实验的首个吨×年累积数据。目前的结果没有观测到无中微子双贝塔衰变,但对130Te无中微子双贝塔衰变的半衰期以及马约拉纳中微子质量给出了最严格限制。从目前的结果看,即使存在无中微子双贝塔衰变,CUORE的灵敏度还可能不足以探测到它。CUORE实验实现了晶体量热器探测技术的创新,特别是为下一代更高分辨的实验建立基础。实际上,CUORE实验的升级版CUPID(CUORE Upgrade with Particle Identification)已经在运行。CUPID的探测灵敏度将比CUORE提高约10倍,将给中微子马约拉纳属性研究带来希望。

CUORE合作组由来自意大利、美国、中国、西班牙、法国等国家的100多位科学家组成,中国的参与单位有复旦大学和上海交通大学。复旦大学现代物理研究所马余刚院士团队是该国际合作实验的成员之一,团队早在2006年就加入CUORE合作组,承担了主探测器材料Te、TeO2粉末以及硝酸、盐酸等溶剂材料的样品纯度的高精度检测,随后参与了CUORE-0、CUORE实验的现场安装、调试等工作,目前每年参与实验的日常运行工作。

韩柯在现场组装CUORE探测器

当前,国内也在积极推动无中微子双贝塔衰变实验研究,依托中国锦屏地下实验室“十三五”国家重大科技基础设施,发展包括高纯锗、晶体量热器、高压气体和液体时间投影室等多种实验方案。其中由复旦大学牵头, 联合清华大学、北京师范大学、中国科学技术大学、上海交通大学等多家单位合作成立了CUPID-China合作组,共同发展基于100Mo同位素的新一代低温晶体量热器实验技术,研发钼酸锂(Li2MoO4)闪烁晶体探测器,开展无中微子双贝塔衰变实验探测研究。CUPID-China推动的实验采用新一代的光热双读出技术,灵敏度比CUORE实验高很多,将利用国内在晶体生长技术方面的优势,在锦屏实验室开展无中微子双贝塔衰变实验探测。实验的推进将对我国在中微子的基本属性、正反物质对称性及宇宙起源等基础前沿研究领域的发展起到重要促进作用。

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