地下实验室^(96)Zr无中微子双贝塔衰变实验研究进展

无中微子双贝塔衰变实验是为了找寻超出标准模型的新物理(new physics beyond the standard model)而在地下实验室开展的最具潜力的低本底前沿物理实验之一。符合无中微子双贝塔衰变实验要求的核素有^(76)Ge、^(96)Zr、^(100)Mo、^(130)Te、^(136)Xe等,其中^(96)Zr具有独特的理论优势,但相关实验较少。该文从理论上分析^(96)Zr无中微子双贝塔衰变的高事例发生率、强中微子质量限制能力和潜在发生无中微子四贝塔衰变的特点及实验本底要求,阐述地下实验室^(96)Zr无中微子双贝塔衰变实验研究现状,展望未来在中国锦屏地下实验室开展^(96)Zr无中微子双贝塔衰变实验的愿景。

无中微子双贝塔衰变实验发展沿革与未来展望

无中微子双贝塔衰变是一种重要的超出标准模型的新物理。在数十年理论和实验的发展与探索的基础上,人们对其可能的物理机制以及实验的技术需求已有较为深刻的理解。国际上有多个实验组通过不同的探测器技术尝试寻找无中微子双贝塔衰变事件,并对半衰期下限给出了1026年量级的限制。目前各实验组正在积极进行下一代实验装置的预研和建设,致力于将半衰期灵敏度提高到1027年以上。中国正依托锦屏地下实验室国际领先的实验环境,开发多个不同路线的探测技术。文章将概述国际上主要的大型无中微子双贝塔衰变实验的现状,并展示在锦屏地下实验室中探索这一前沿物理领域的前景以及基于不同探测器技术的实验方案。

基于低温量热器的无中微子双贝塔衰变探测实验国内外研究进展

无中微子双贝塔衰变过程能够揭示中微子的粒子属性,打破标准模型的轻子数守恒,并且是目前获得中微子有效质量的重要途径.本文通过对国内外无中微子双贝塔衰变探测实验的最新研究进展进行详细调研,重点对基于低温量热器的无中微子双贝塔衰变实验设计方案进行深入研究,并以意大利格兰萨索地下实验室(cryogenic underground observatory for rare events,CUORE)实验方案为例,详细地阐述了低温量热器技术的系统组成、工作原理以及现阶段所面临的关键难点,将要解决的问题主要包括极低温环境的搭建、核素种类的选取与探测塔的搭建、本底的甄别和微弱信号的前置放大.

无中微子双贝塔衰变:新物理探索和宇宙学观测

近二十多年来,太阳、大气、反应堆和加速器的中微子振荡实验提供了大量确凿的证据表明中微子有质量。然而,粒子物理学标准模型却预言中微子质量为零。这意味着中微子质量的产生必然要求引入超出标准模型的新物理。文章将介绍无中微子双贝塔衰变对新物理探索和宇宙学观测的重要影响,尤其是该稀有衰变过程的实验观测在突破粒子物理学和宇宙学标准模型的前沿研究中扮演的独一无二的角色。

盘点八个著名中微子实验:未能真正挑战相对论

据国外媒体报道,许多人都听说过著名科学家爱因斯坦的一个论断,即光速不可超越。然而,意大利OPERA实验室科学家于去年末曾经通过实验得出结论认为,微中子可能快过光速。

王淦昌先生与中微子

在粒子物理学的历史中,中微子是“基本”粒子家族中特别神奇的一员。从泡利1930年提出中微子可能存在的假说和费米1934年提出划时代的β衰变理论以后,围绕着它的理论和实验工作很多,其中一个中心问题是如何直接验证它的存在。关于这个问题,在1934至1941年间文章很多,可是都没有抓住关键,这是因为中微子不带电荷,不易直接用探测器发现,而且它几乎完全不与物质碰撞(譬如,可以自由地穿过地球),很难抓到踪迹。1941年10月王淦昌先生在浙江大学(那时正值抗日战争,浙江大学避难在贵州遵义、湄潭)写了一篇短文,提出用K电子俘获的办法寻找中微子。这是一篇极有创造性的文章,在确认中微子存在的物理工作中,此文一语道破了问题的真谛。此后的十余年间。

超级神冈中微子的强制触发模块设计

使用强制触发的方法,清华大学高能中心的研究人员首次在日本超级神冈实验的纯水探测介质中观察到了中子俘获寿命曲线。本文讨论强制触发的实现原理和强制触发电子学模块的具体设计,并对实验过程和结果进行了讨论。

中国锦屏地下实验室与稀有物理实验

中国锦屏地下实验室是目前世界上岩石覆盖最深的深地实验室,对宇宙线μ子具有良好的屏蔽作用,具有极低的宇宙线通量,因此适用于开展对稀有物理事例的探测实验。目前,包括中国暗物质实验(China Dark matter EXperiment,CDEX)、粒子和天体物理氙实验(Particle and Astrophysical Xenon Experiments,PandaX)、锦屏深地核天体物理实验装置(Jinping Underground Nuclear Astrophysics Experiment,JUNA)等实验组已经入驻锦屏实验室,对暗物质直接探测、无中微子双β衰变、天体核反应等一系列稀有物理事例进行实验探测,并给出了一系列国际先进水平的研究成果。本文总结了中国锦屏地下实验室自成立以来的发展过程和本底控制情况,并对实验室中各个实验组所开展实验的物理意义、实验原理、关键技术、物理成果等进行介绍,同时给出实验组接下来的实验计划。

揭开中微子和反中微子的马约拉纳神秘面纱——无中微子双贝塔衰变低温晶体量热器实验

中微子可能的马约拉纳粒子属性超出了目前标准模型的范畴,是粒子物理与核物理研究领域最重要的科学问题之一。无中微子双贝塔衰变(0vββ)实验是能够确定中微子马约拉纳属性的唯一途径。0vββ的发现可以揭示中微子绝对质量、轻子数破缺、物质—反物质不对称等一系列自然奥秘,是当今粒子物理与核物理研究的前沿课题。在探索无中微子双贝塔衰变的可选择实验方案中,低温晶体量热器具有高能量分辨率、高运行稳定性和低辐射本底的技术优势,成为新一代0vββ实验最具竞争力的探测器技术之一。文章首先介绍无中微子双贝塔衰变的研究历史,之后介绍低温晶体量热器及其最先进的代表——CUORE实验,最后展望关于我国锦屏地下实验室开展低温晶体量热器0vββ实验研究的前景。

寻找τ子中微子

按照粒子物理学标准模型，物质是由12种基本粒子构成的，包括6种夸克和6种轻子。其中轻子包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子，当一些轻子发生衰变后会变成别的基本粒子——夸克和中微子。到上个世纪末，科学家们通过各种实验，陆续找到了其中11种基本粒子，但却一直没有发现τ子中微子存在的直接证据：由于τ轻子在放射性物质中发生衰变时不带电，运动中几乎不留下痕迹，又几乎不与周围物质相互作用，所以很难探测到它们。

地下实验室μBq/kg量级辐射本底测量装置研究进展

中国锦屏地下实验室开展暗物质直接探测、无中微子双贝塔衰变等稀有事例探测实验,需要在地下实验室建立极低本底测试平台,对大部分材料实现毫贝可每千克(m Bq/kg)量级的放射性水平测量;对铜等材料实现微贝可每千克(μBq/kg)量级的放射性水平测量。正在建设中的极低本底分析测试平台,针对材料放射性筛选需求建立地下放射性测量分析系统和μBq/kg量级辐射本底测量装置,使用低本底高纯锗伽马谱仪作为探测器。μBq/kg量级辐射本底测量装置的设计目标是实现对10μBq/kg量级的材料放射性的测量。

双β-衰变研究现状及展望

本文分析了近年来无中微子双β 衰变的实验结果,介绍了今后几年将进行的双β 衰变实验情况。

无中微子双贝塔衰变:寻找马约拉纳中微子之路

无中微子双贝塔衰变是目前粒子物理与核物理学家积极寻找的一种极其稀有的原子核衰变模式。它的发现将验证中微子是否是其本身的反粒子,也就是通常指的马约拉纳费米子。同时这一物理过程破坏轻子数守恒,也可以为宇宙初期的正反物质不对称性提供重要的条件。鉴于其极重要的物理意义,国际上多个实验组利用不同的探测器技术,在多种不同的目标同位素中寻找这一突破粒子物理标准模型的稀有衰变。目前主流实验还未发现确定的无中微子双贝塔衰变信号,但对其半衰期的限制已经达到了10^(26)年量级。国内近期也开展了一系列预研实验,期望在未来几年内可以确定一到两个切实可行的实验方案,开展吨级实验。

一种面向百吨级液氙实验的高纯气体管理与热管理设计

PandaX实验等稀有事例液氙探测器规模日益扩大,甚至已经规划至百吨级,但现有技术氙气加注速率低,能量消耗大,因此必须发展高纯氙气的大规模存储技术与高效热管理技术。利用国标钢质气瓶233~333 K工作温度范围及20 MPa最大工作压力,以及氙在238 K气液平衡压力低于1.8 MPa的性质,可实现氙气1 750 kg/m3的高密度、低比焓存储,并可用输出压力2.5 MPa的齿轮泵实现加压传输。分级冷却可以充分利用制冷机的冷却能力,1 kw@160 K制冷功率可获得7.5 t/d的加注速率。相关设备还可以用于氙的循环提纯,循环流量大、压力高,可选用更高参数的纯化器。论证了在中国锦屏地下实验室进行百吨级氙气的存储、快速液化与回收的可行性,可为下一代实验方案设计及实验室基础设施设计建设提供参考。

^(48)Ca无中微子双β衰变的寿命下限

本文报道国内首次开展的双β衰变实验研究工作。国产大尺寸CaF_2闪烁晶体既用来做为探测器,又做为双β衰变的放射源。数据采集总共7588.5小时。实验给出^(48)Ca无中微子双β衰变的寿命下限T_(1/2)>1.1×10^(22)年(68％C.L.);由理论推算相应的中微子质量<m_D>≤8eV;右手流混合参量η的限值η≤0.69×10^(-5)。

最小seesaw模型对氚β衰变和无中微子双β衰变的限制(英文)

在最小seesaw模型下计算了氚β衰变的有效质量(m)。以及无中微子双β衰变的有效质量<m>ee．利用最新的中微子振荡数据,在正质量等级情况下得到了0．00424eV≤<m>e≤0．0116eV和0．00031eV≤<m>ee≤0．0052eV;如果中微子的质量谱是倒质量等级情况,能够得到0．0398eV≤<m>e≤0．0571eV和0．0090eV≤<m>ee≤0．0571eV．最后还讨论了最小的中微子混合角和Majorana CP破坏位相对<m>ee的影响．

^(76)Ge和^(82)Se核中发射Majoron粒子的无中微子双β衰变

带有发射Majoron粒子的无中微子双β衰变(记作(Ovββ)_M^0)是(A,Z)→(A,Z+2)+2e^-+M^0图1给出它的费曼图,其中M^0是由中间虚Majorona中微子发射的Majoron粒子,它是来自于球β-L(重子数-轻子数)对称性自发破缺的赝Goldstone玻色子.由于实验上这种衰变模式容易与2vββ衰变模式混淆而成为2vββ衰变的本底,因此为了区分它们,对(Ovββ)_M^0过程的研究变得重要起来.

探测马约拉纳中微子

标准模型预言中微子没有质量,但从中微子振荡实验知道,它们一定是有质量的。特别是,为使中微子在它们的三种“味”之间振荡,它们的平方质量差必须不为零。振荡数据表明,至少有一种中微子态的质量必须约大于50 meV,但是观测结果没有告诉我们这3种态中哪一种最重(数据容许有两种可能的质量顺序,称为“正常的”和“反转的”)。一种约束中微子质量的方法是研究双β衰变(2νββ)的核,其中两个中子转变成两个质子,发射两个电子和两个反中微子。

无中微子双β衰变相关的中微子势（英文）

介绍了在双β衰变中的闭合近似下的原子核矩阵元,并在此基础上研究了无中微子双β衰变的中微子势部分及统计性质。分析结果显示,费米型和伽莫夫-泰勒型矩阵元部分贡献了几乎相等的正值,并且费米型部分一般比伽莫夫-泰勒型部分的贡献稍大,而张量部分的贡献虽小但不可忽略,其中有少量矩阵元为负。阐明了无中微子双β衰变的中微子势中费米型、伽莫夫-泰勒型及张量部分大于零矩阵元的关联。该统计结果粗略地揭示了这些组份对原子核矩阵元的贡献。