中国学科发展战略·无中微子双贝塔衰变实验

无中微子双贝塔衰变是当前国际上粒子物理与核物理领域研究的重要科学前沿，是可能突破粒子物理标准模型的研究方向之一。为了推动我国在锦屏地下实验室 (China Jinping Underground Laboratory, CJPL) 有效开展无中微子双贝塔实验工作，使我国能够尽快参与该项研究的国际竞争，力求走到国际前列，我们向中  国科学院数学物理学部提出 “无中微子双贝塔衰变实验” 自主战略研究课题并获批准。

历史上，为了解决贝塔衰变连续谱的危机，1930 年泡利提出中微子假设。1956 年雷因斯 (F.Reinnes) 和柯恩 (C.L.Cowan) 在核反应堆上的实验中直接发现了中微子。1935 年迈耶 (M.Goeppert-Mayer) 从理论上提出可能存在放射 2 个中微子的双贝塔衰变 (2νββ)，预言在 35 个偶–偶核中存在此类衰变过程。

粒子物理标准模型允许存在 2νββ 衰变，它是一种稀有事件，迄今已在 11 个偶– 偶核中观测到，其衰变半衰期在 1018 ～ 1024 年。1937 年马约拉纳 (Ettore Majorana) 预言中微子可能是一类新的中性费米子，其反粒子和自身是等同的，因而相应的轻  子数不守恒。1939 年弗里 (Wendell Furry) 指出，如果中微子是这种所谓的马约拉纳粒子，能产生 2νββ 衰变的原子核会同时发生无中微子双贝塔衰变 (0νββ)，但这种模式至今实验上尚未发现。理论研究表明，这类无中微子双贝塔衰变不仅需要中  微子是马约拉纳粒子，同时其衰变概率与有效电子中微子质量的平方成正比，故而被严重压低。

在粒子物理标准模型中，中微子质量为零。可是，现有中微子振荡实验表明  中微子是有质量的基本粒子，但仅知道中微子质量平方之差，不知道中微子绝对质量。中微子振荡实验，可以得到不同质量的三种中微子本征态之间的混合角和它们的质量平方差。三种中微子质量之间的排序可以有两种可能的结果：正排序(normal hierarchy) 和倒排序 (inverted hierarchy)。目前既不知道中微子质量的排序，也不知道中微子的绝对质量。

20 世纪 80 年代初，苏联理论与实验物理研究所鲁比莫伏等测量氚贝塔衰变谱的终点能量，给出反电子中微子质量在 14～46 eV，在当时引起国际轰动，并且推动广泛开展氚贝塔衰变谱的测量，最终日本给出反电子中微子质量上限是 1 eV。如今，德国卡尔斯鲁核研究中心 Guido Drexlin 等经过多年努力建成高精度谱仪(KATRIN)，目前也达到了 1.1 eV 的灵敏度；预期该装置测定中微子质量的极限灵敏度为 0.2 eV。

中微子的质量也会影响宇宙的演化过程，特别是大尺度结构的形成。无中微子双贝塔衰变能提供高灵敏度的中微子质量标度的测量。无中微子双贝塔衰变破坏轻子数守恒，需要马约拉纳中微子有非零质量。在轻马约拉纳中微子交换框架下， 马约拉纳中微子有效质量可以从实验测量的 0νββ 衰变半衰期推出，其中需要知道相空间因子、轴矢量耦合常数和核矩阵元 (NME)。目前核矩阵元的计算不确定性有 2～3 倍之差，这是理论上需要加以解决的关键问题。

因此，对无中微子双贝塔衰变实验研究可以回答中微子物理的下列重要问题：

① 轻子数是否不守恒；② 中微子的基本性质，即中微子是否为马约拉纳粒子；③ 中微子的绝对质量标度；④ 与中微子的马约拉纳属性相关的 CP 破坏相位；等等。这些都是超出粒子物理标准模型的新物理。现有实验表明，无中微子双贝塔衰变发   生的概率非常小，其衰变半衰期大于 1.07×1026 年。在 2015 年发表的美国能源部

和自然科学基金委核科学长远规划书和 2017 年发表的欧洲长期科学发展规划中， 都把下一代无中微子双贝塔衰变实验列为优先发展的大科学实验项目。

目前国际上正在运行的无中微子双贝塔衰变实验主要在美国、意大利、日本和  法国的地下实验室进行。当前正在运行，且具有相当规模的有效同位素的无中微子双贝塔衰变实验主要有 GERDA, Majorana Demonstrator, CUORE, KamLAND- Zen, EXO-200 等。GERDA 和 Majorana Demonstrator 利用高纯锗 (HPGe) 探测器技术，已分别在意大利的格兰萨索实验室 (Laboratori Nationali Gran Sasso, LNGS) 和美国的 Sanford Underground Research Facility(SURF) 运行多年，目的是寻找76Ge 的 0νββ 衰变。CUORE 采用 TeO2 晶体量热技术在意大利的 LNGS 运行，目的是寻找 130Te 的 0νββ 衰变；KamLAND-Zen 在日本神冈地下实验室用液闪探测器运行，目的是寻找 136Xe 的无中微子双贝塔衰变；EXO-200 在美国用液氙探测器运行，目的是寻找 136Xe 无中微子双贝塔衰变。现阶段实验给出的 0νββ 衰变的半衰期下限在 1025 ～ 1.07×1026 年，相应的马约拉纳中微子有效质量上限在 60～

520 meV。

下一代无中微子双贝塔衰变实验的科学目标是研究中微子质量的近简并区域和倒排序区域所对应的马约拉纳中微子有效质量，预计可达 10～50 meV。如果中微子质量谱是近简并或倒排序且中微子是马约拉纳粒子，新一代的无中微子双贝塔衰变实验将发现无中微子双贝塔衰变。这将是粒子物理领域革命性的研究成果。  如果在这个区域找不到无中微子双贝塔衰变，下一代的实验寻找将进入非近简并的正排序区域，相应地马约拉纳中微子有效质量将更可能处在 1～10 meV 范围。

我国在锦屏具有世界上最深的地下实验室，埋深 2400 m，有极低本底，为无中微子双贝塔衰变提供了极好的场所。中国核工业集团有限公司下属的核工业理化工程研究院和有关工厂具备提供分离浓缩同位素的能力。目前国内已有 4 个科研合作团队正在进行无中微子双贝塔衰变实验的预研究，分别是：清华大学牵头用  高纯锗 γ 探测器阵列寻找 76Ge 无中微子双贝塔衰变；中国科学院近代物理研究所牵头用高压气体时间投影室寻找 82Se 无中微子双贝塔衰变；复旦大学牵头用晶体量热器阵列寻找 100Mo 无中微子双贝塔衰变；上海交通大学用大型液氙探测器和高压气体探测器寻找 136Xe 无中微子双贝塔衰变。中国科学院高能物理研究所在完成中微子质量排序实验后，如果无中微子双贝塔衰变实验仍无结果，他们将开展  无中微子双贝塔衰变实验工作。

经过战略研讨，请有关专家撰写了本书，全书共 8 章。

第 1 章概述无中微子双贝塔衰变的粒子物理学机制及探测各种可能的轻子数不守恒过程的科学意义。谢克特–瓦尔定理告诉我们，如果实验上观测到无中微子  双贝塔衰变过程，那么中微子就一定是马约拉纳粒子，即中微子是其自身的反粒子。无中微子双贝塔衰变的实验观测对于粒子物理学的重要意义主要体现在以下三个方面：首先，检验自然界是否存在轻子数不守恒的过程；其次，确认中微子是  否是马约拉纳粒子，为解决中微子质量起源问题指明前进的方向；最后，限制马约  拉纳型 CP 破坏相位。此外，马约拉纳中微子的存在还能够为宇宙中物质–反物质不对称以及暗物质的本质等谜题提供一个自然而有效的解决方案。

第 2 章综述无中微子双贝塔衰变的核矩阵元的理论计算途径。无中微子双贝塔衰变依赖于原子核矩阵元的精确计算，涉及复杂的核多体方法和大规模的数值计算。主要的计算方法包括组态相互作用壳模型、准粒子无规相近似、生成坐标方  法、相互作用玻色子模型等。国内关于无中微子双贝塔衰变矩阵元的计算也有一些  有特色的工作，包括采用准粒子无规相近似和基于相对论和非相对论密度泛函理论的生成坐标方法和自洽准粒子无规相近似等。根据不同的理论方法以及考虑不同的多体关联效应，有望给出高精度的核矩阵元及其不确定度，为中国以及世界无  中微子双贝塔衰变的研究提供重要的理论支撑。

第 3 章描述锦屏地下实验室的现状与未来发展趋势。中国锦屏地下实验室位于四川省凉山彝族自治州锦屏水电站工程区域内，是利用锦屏二级水电站贯穿锦屏山的深埋长隧洞为基础建设的世界上岩石埋深最大、实验条件最为优越的地下实验室，具有岩石埋深大、宇宙线通量极低、岩石天然辐射本底低、交通便利、配  套设施完善等优点。锦屏地下实验室的建成，标志着中国已经具有开展物理学重大  基础前沿科学研究的自主地下实验平台，对于推动我国相关领域的重大基础前沿课题的自主研究意义重大。该地下实验室不仅为我国开展暗物质、无中微子双贝塔  衰变等低本底实验提供良好的场所，还可以开展极深地下岩土力学、地质构造等方  面的实验研究。

第 4 章用高纯锗 γ 探测器阵列寻找 76Ge 无中微子双贝塔衰变：根据当前国际高纯锗实验以及我国 CDEX 实验系统本底探测情况，深入研究探测器系统的放射性本底种类、来源和相对强度，对高纯锗晶体自身、探测器结构材料等的宇生放射性本底、U、Th 等原生放射性核素本底进行解谱分析，结合蒙特卡罗模拟研究， 确定各类本底的贡献进而研究和建立针对这些本底的控制和降低方法。研究和掌握地下实验室 76Ge 富集高纯锗探测器的制作工艺。建立 ～10kg 76Ge 富集的高纯锗探测器阵列系统，运行实验系统并获取数据，得到 0.001 counts/keV/kg/year 量级的本底水平，给出国际水平的半衰期下限结果，为未来达到 5～15 meV 中微子有效质量的探测灵敏度奠定基础。

第 5 章用 Topmetal 芯片读出系统的高压气体时间投影室寻找 82Se 无中微子双贝塔衰变：研制以高压气体 82SeF6 为介质的时间投影室 (TPC) 技术，开展 “No neutrino Double-beta-decay Experiment (NνDEx)” 实验。验证如下其他实验不可替代的优点：① 完全自主研发的低噪声 Topmetal 芯片电荷平面读出技术, 可以直接收集初始电离产生的电荷，无须放大，从而避免雪崩放大过程引入的涨落，并提高  能量分辨率，在 Q 值附近达到 1％; ② TPC 的读出可以重建粒子径迹，使得该实验可以实现逐个事件的径迹测量，大大降低本底提高事件区分能力。

第 6 章用晶体量热器阵列寻找 100Mo 无中微子双贝塔衰变：建立能够测试高纯晶体的低温冷却系统，稳定工作温度保持在 10 mK 左右，有效控制震动噪声， 在本底 2615 keVγ 射线能量附近使能量分辨率低于 10 keV，设计有效的屏蔽系统压低测试晶体外部的本底; 研制高纯 Li2MoO4(LMO) 晶体；设计和模拟 LMO 晶体的探测器系统，争取在 100Mo 同位素的无中微子双贝塔衰变的 Q 值区间达到10？4counts/keV/kg/year 的本底目标。为在锦屏地下实验室建设新一代的大型的基于国产 LMO 晶体的国际合作探测器建立技术基础和研究队伍。

第 7 章分别用大型液体和高压气体时间投影室寻找 136Xe 无中微子双贝塔衰变。在液氙方向，近期建设 Pandax-4T 探测器 (4 吨液氙)，通过研发该探测器中光电倍增管的分压和读出电路，将感兴趣的能区的能量分辨提高一倍。同时研发在线蒸馏系统和活性炭过滤系统等，可将探测器中 222Rn 含量降低一个量级。该探测器运行 3 年有效时间采集数据，预期无中微子双贝塔衰变半衰期限制可达1025 年灵敏度。未来计划建设 30 吨液氙探测器，预期半衰期限制提高到 6×1025 年。在气氙方向，近期开发 PandaX-III, 开始载量 150 公斤富集 136Xe 气体，利用micromegas   微结构读出探测器信号，可实现信号径迹重建，极大地压低本底和提高信号筛选。蒙特卡罗模拟表明径迹信息可以进一步压低本底 35 倍以上，从而可以确保 PandaX-III 首个探测器本底低至 10？4/keV/kg/year 的量级。预期半衰期灵敏度可达 9×1025 年。未来计划实现吨级实验，预期半衰期下限可提高到 1027 年， 相应的中微子有效质量为 20～50meV。

第 8 章离心分离技术浓缩 76Ge、82Se、100Mo 和 136Xe 同位素: 采用离心分离76Ge、82Se、100Mo 和 136Xe 同位素是实际可行的方法，在无中微子双贝塔衰变实验中对这些同位素需求是吨量级，且同位素丰度一般要求在 90％左右，在设定的初始条件下对这 4 种同位素进行级联理论计算，并对具体同位素的分离方案进行优化设计，从而对这 4 种同位素规模化生产的难易程度进行了比较，数据表明：① 从分离工质看，Xe 分离工质为单质氙，其他分离工质都是该元素的氟化物，在无中微子双贝塔衰变实验中，136Xe 和 82SeF6 可直接使用。② 从生产周期看，生产 1 吨丰度为 90％的 136Xe 仅需 320 天，其他同位素在 700～1500 天。③ 从原料利用率看，生产 1 吨 136Xe、76Ge、82Se 和 100Mo 所需原料分别为 10 吨、25 吨、25 吨和20 吨，对应的原料利用率以 Xe 的原料为最高。综上所述，136Xe 同位素的规模化生产比其他 3 种同位素容易得多。从目前国内研发状况看，136Xe 同位素浓缩技术已经完全掌握，只要资金投入到位，可短期实现规模化生产。76Ge、82Se 和 100Mo 三种同位素目前尚不具备规模化生产条件，但基本已有研究基础，如果有项目牵引  或经费支持，有望在不久的将来突破相关技术，最终实现规模化生产。所以，从 4 种同位素无中微子双贝塔衰变的预研究中通过与实际结果的比较，择优选取同位素是重要的。

无中微子双贝塔衰变物理是粒子物理与核物理的重大前沿课题，值得 CJPL 作为一个重大科学研究方向开展。今后 3～5 年是中国物理领域在 CJPL 发展世界一流的大型无中微子双贝塔衰变实验的时间窗口。我们建议尽快启动国内在无中微子双贝塔衰变实验探测器技术方面的预研，然后通过 3～5 年预研结果的比较，择优选取 2 种同位素源的测量，确定可以在 CJPL 建设下一代具有世界领先水平的无中微子双贝塔衰变实验的探测器技术方案。争取在不长的时间内集中优势力量，  实现在 CJPL 开展无中微子双贝塔衰变实验，达到与国际上新一代的无中微子双贝塔衰变实验相比具有我们特定的科学和技术优势。同时，我们必须从现在起，在国内进一步提升无中微子双贝塔衰变理论的研究，特别是核矩阵元的计算，为下一  代实验探索无中微子双贝塔衰变物理提供强有力的理论依据。

这本战略思想库的图书，经过 30 多位专家组成员和邀请专家共同开展近两年的深入调查研究和认真讨论，广泛听取同行专家意见，进行认真修改，每篇文章通  过专家审核，最后定稿形成。所有专家 (包括战略组成员和邀请专家) 和工作人员在他们繁忙的科研工作中抽出宝贵的时间，参加这项自主战略研讨，对他们的重要  贡献表示衷心感谢。也衷心感谢中国科学院数学物理学部一直对这一项目的开展给予的领导和支持。希望本书对科技主管部门、关心我国科技发展和从事这方面研  究的工作者以及高等院校理科高年级本科生和研究生提供参考。

由于我们的知识水平有限，书中在所难免有不当之处，请读者批评指正。

 

张焕乔 季向东

2019年10月

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