马约拉纳合作寻找无中微子双β衰变的最终结果

发布时间：2023-03-03 16:28:32 栏目：生活

导读 五年多来，来自全球不同大学的研究人员组成的大型联盟马约拉纳合作组织(Majorana Collaboration)一直试图观察无中微子双β衰变，这是

五年多来，来自全球不同大学的研究人员组成的大型联盟马约拉纳合作组织(Majorana Collaboration)一直试图观察无中微子双β衰变，这是最罕见的放射性衰变形式之一。这是使用Majorana Demonstrator完成的，这是一个位于南达科他州桑福德地下研究设施的探测器，这是一个位于地下近1英里的实验室。



这项大规模实验使用了30公斤纯锗(Ge)晶体，封装在深冻低温恒温器模块中，并由实验室的外部保护铅屏蔽层保护。它的最终结果发表在最近发表在PRL上的一篇论文中，对无中微子双β衰变(0νββ)提出了新的约束76通用 电气。

“这个30公斤实验的主要目标是确定使用锗(Ge)探测器进行无中微子双β衰变(0νββ)的更大实验的可行性，”进行这项研究的研究人员之一Steve Elliott告诉 Phys.org。“以前的工作已经证明了使用Ge探测器进行这项研究的可行性。该项目由美国能源部和NSF资助，此前使用来自一些国家实验室的实验室指导研发(LDRD)资金建立了概念。

无中微子双β衰变(0νββ)是一种预测的放射性衰变形式，如果存在，则需要中微子的特殊特征，包括具有质量和马约拉纳性质。虽然已经发现中微子有质量，但对这种衰变的实验观察最终也将证明它们是马约拉纳粒子，这基本上意味着它们也充当自己的反粒子。

“如果中微子是马约拉纳粒子，它会导致可以激发宇宙中物质优于反物质的理论 - 这是我们所知的生命存在的必要条件，”艾略特解释说。“这种衰变，如果存在的话，将是极其罕见的，它的半衰期超过1026年 (1016比宇宙的年龄长几倍)。由于非常罕见，任何其他辐射，来自屏蔽中的微量杂质或宇宙射线，在Ge中沉积能量都会掩盖信号。

Majorana Demonstrator是Elliott和其他合作者用来寻找0νββ衰变的实验装置，本质上是Ge晶体的大量集合。这些晶体位于桑福德地下实验室，作为辐射探测器(即可以检测放射性衰变过程中发射的粒子的仪器)运行。

“包含这些探测器的Ge材料在同位素76中富集至约88%，而其天然丰度约为7.75%，”Elliott说。“这些探测器包含在超低放射性屏蔽中，并位于地下深处，以减少能量沉积源，从而产生来自0νββ的信号的背景。

发表在PRL上的最终马约拉纳演示器结果使物理学界更接近回答有关宇宙及其构成物质的一些关键问题。虽然他们还没有检测到0νββ衰变，但马约拉纳合作的努力证明了在更大范围内部署他们的方法以寻找这种难以捉摸的放射性衰变形式的可行性。

“马约拉纳演示器表明，具有世界领先能量分辨率的大量Ge探测器可以在足够低的放射性环境中制造和运行，以证明建造一个更大的项目是合理的，”埃利奥特说。“即使是这个小实验，由于其低背景和出色的能量分辨率，也能够与更大的0νββ实验竞争。

Majorana合作现在与另一个研究联盟GERDA合作，后者在意大利的Laboratori Nazionali del Gran Sasso(LNGS)建立了类似的检测实验。他们一起构建了LEGEND-200实验，这是一项旨在检测0νββ衰变的共同努力，他们最近才开始在意大利收集数据。

“我们正在提议对1公斤Ge进行实验，该实验正在通过DOE审查过程，”Elliott补充道。