無中微子雙貝塔衰變是當前國際上粒子物理與核物理領域研究的重要科學前沿，是可能突破粒子物理標準模型的研究方向之一。為了推動我國在錦屏地下實驗室 (China Jinping Underground Laboratory, CJPL) 有效開展無中微子雙貝塔實驗工作，使我國能夠盡快參與該項研究的國際競爭，力求走到國際前列，我們向中  國科學院數學物理學部提出 “無中微子雙貝塔衰變實驗” 自主戰(zhàn)略研究課題并獲批準。

歷史上，為了解決貝塔衰變連續(xù)譜的危機，1930 年泡利提出中微子假設。1956 年雷因斯 (F.Reinnes) 和柯恩 (C.L.Cowan) 在核反應堆上的實驗中直接發(fā)現了中微子。1935 年邁耶 (M.Goeppert-Mayer) 從理論上提出可能存在放射 2 個中微子的雙貝塔衰變 (2 )，預言在 35 個偶–偶核中存在此類衰變過程。

粒子物理標準模型允許存在 2 衰變，它是一種稀有事件，迄今已在 11 個偶– 偶核中觀測到，其衰變半衰期在 1018 ～ 1024 年。1937 年馬約拉納 (Ettore Majorana) 預言中微子可能是一類新的中性費米子，其反粒子和自身是等同的，因而相應的輕  子數不守恒。1939 年弗里 (Wendell Furry) 指出，如果中微子是這種所謂的馬約拉納粒子，能產生 2 衰變的原子核會同時發(fā)生無中微子雙貝塔衰變 (0 )，但這種模式至今實驗上尚未發(fā)現。理論研究表明，這類無中微子雙貝塔衰變不僅需要中  微子是馬約拉納粒子，同時其衰變概率與有效電子中微子質量的平方成正比，故而被嚴重壓低。

在粒子物理標準模型中，中微子質量為零。可是，現有中微子振蕩實驗表明  中微子是有質量的基本粒子，但僅知道中微子質量平方之差，不知道中微子絕對質量。中微子振蕩實驗，可以得到不同質量的三種中微子本征態(tài)之間的混合角和它們的質量平方差。三種中微子質量之間的排序可以有兩種可能的結果：正排序(normal hierarchy) 和倒排序 (inverted hierarchy)。目前既不知道中微子質量的排序，也不知道中微子的絕對質量。

20 世紀 80 年代初，蘇聯理論與實驗物理研究所魯比莫伏等測量氚貝塔衰變譜的終點能量，給出反電子中微子質量在 14～46 eV，在當時引起國際轟動，并且推動廣泛開展氚貝塔衰變譜的測量，最終日本給出反電子中微子質量上限是 1 eV。如今，德國卡爾斯魯核研究中心 Guido Drexlin 等經過多年努力建成高精度譜儀(KATRIN)，目前也達到了 1.1 eV 的靈敏度；預期該裝置測定中微子質量的極限靈敏度為 0.2 eV。

中微子的質量也會影響宇宙的演化過程，特別是大尺度結構的形成。無中微子雙貝塔衰變能提供高靈敏度的中微子質量標度的測量。無中微子雙貝塔衰變破壞輕子數守恒，需要馬約拉納中微子有非零質量。在輕馬約拉納中微子交換框架下， 馬約拉納中微子有效質量可以從實驗測量的 0 衰變半衰期推出，其中需要知道相空間因子、軸矢量耦合常數和核矩陣元 (NME)。目前核矩陣元的計算不確定性有 2～3 倍之差，這是理論上需要加以解決的關鍵問題。

因此，對無中微子雙貝塔衰變實驗研究可以回答中微子物理的下列重要問題：

① 輕子數是否不守恒；② 中微子的基本性質，即中微子是否為馬約拉納粒子；③ 中微子的絕對質量標度；④ 與中微子的馬約拉納屬性相關的 CP 破壞相位；等等。這些都是超出粒子物理標準模型的新物理。現有實驗表明，無中微子雙貝塔衰變發(fā)   生的概率非常小，其衰變半衰期大于 1.07 1026 年。在 2015 年發(fā)表的美國能源部

和自然科學基金委核科學長遠規(guī)劃書和 2017 年發(fā)表的歐洲長期科學發(fā)展規(guī)劃中， 都把下一代無中微子雙貝塔衰變實驗列為優(yōu)先發(fā)展的大科學實驗項目。

目前國際上正在運行的無中微子雙貝塔衰變實驗主要在美國、意大利、日本和  法國的地下實驗室進行。當前正在運行，且具有相當規(guī)模的有效同位素的無中微子雙貝塔衰變實驗主要有 GERDA, Majorana Demonstrator, CUORE, KamLAND- Zen, EXO-200 等。GERDA 和 Majorana Demonstrator 利用高純鍺 (HPGe) 探測器技術，已分別在意大利的格蘭薩索實驗室 (Laboratori Nationali Gran Sasso, LNGS) 和美國的 Sanford Underground Research Facility(SURF) 運行多年，目的是尋找76Ge 的 0 衰變。CUORE 采用 TeO2 晶體量熱技術在意大利的 LNGS 運行，目的是尋找 130Te 的 0 衰變；KamLAND-Zen 在日本神岡地下實驗室用液閃探測器運行，目的是尋找 136Xe 的無中微子雙貝塔衰變；EXO-200 在美國用液氙探測器運行，目的是尋找 136Xe 無中微子雙貝塔衰變。現階段實驗給出的 0 衰變的半衰期下限在 1025 ～ 1.07 1026 年，相應的馬約拉納中微子有效質量上限在 60～

520 meV。

下一代無中微子雙貝塔衰變實驗的科學目標是研究中微子質量的近簡并區(qū)域和倒排序區(qū)域所對應的馬約拉納中微子有效質量，預計可達 10～50 meV。如果中微子質量譜是近簡并或倒排序且中微子是馬約拉納粒子，新一代的無中微子雙貝塔衰變實驗將發(fā)現無中微子雙貝塔衰變。這將是粒子物理領域革命性的研究成果。  如果在這個區(qū)域找不到無中微子雙貝塔衰變，下一代的實驗尋找將進入非近簡并的正排序區(qū)域，相應地馬約拉納中微子有效質量將更可能處在 1～10 meV 范圍。

我國在錦屏具有世界上最深的地下實驗室，埋深 2400 m，有極低本底，為無中微子雙貝塔衰變提供了極好的場所。中國核工業(yè)集團有限公司下屬的核工業(yè)理化工程研究院和有關工廠具備提供分離濃縮同位素的能力。目前國內已有 4 個科研合作團隊正在進行無中微子雙貝塔衰變實驗的預研究，分別是：清華大學牽頭用  高純鍺 探測器陣列尋找 76Ge 無中微子雙貝塔衰變；中國科學院近代物理研究所牽頭用高壓氣體時間投影室尋找 82Se 無中微子雙貝塔衰變；復旦大學牽頭用晶體量熱器陣列尋找 100Mo 無中微子雙貝塔衰變；上海交通大學用大型液氙探測器和高壓氣體探測器尋找 136Xe 無中微子雙貝塔衰變。中國科學院高能物理研究所在完成中微子質量排序實驗后，如果無中微子雙貝塔衰變實驗仍無結果，他們將開展  無中微子雙貝塔衰變實驗工作。

經過戰(zhàn)略研討，請有關專家撰寫了本書，全書共 8 章。

第 1 章概述無中微子雙貝塔衰變的粒子物理學機制及探測各種可能的輕子數不守恒過程的科學意義。謝克特–瓦爾定理告訴我們，如果實驗上觀測到無中微子  雙貝塔衰變過程，那么中微子就一定是馬約拉納粒子，即中微子是其自身的反粒子。無中微子雙貝塔衰變的實驗觀測對于粒子物理學的重要意義主要體現在以下三個方面：首先，檢驗自然界是否存在輕子數不守恒的過程；其次，確認中微子是  否是馬約拉納粒子，為解決中微子質量起源問題指明前進的方向；最后，限制馬約  拉納型 CP 破壞相位。此外，馬約拉納中微子的存在還能夠為宇宙中物質–反物質不對稱以及暗物質的本質等謎題提供一個自然而有效的解決方案。

第 2 章綜述無中微子雙貝塔衰變的核矩陣元的理論計算途徑。無中微子雙貝塔衰變依賴于原子核矩陣元的精確計算，涉及復雜的核多體方法和大規(guī)模的數值計算。主要的計算方法包括組態(tài)相互作用殼模型、準粒子無規(guī)相近似、生成坐標方  法、相互作用玻色子模型等。國內關于無中微子雙貝塔衰變矩陣元的計算也有一些  有特色的工作，包括采用準粒子無規(guī)相近似和基于相對論和非相對論密度泛函理論的生成坐標方法和自洽準粒子無規(guī)相近似等。根據不同的理論方法以及考慮不同的多體關聯效應，有望給出高精度的核矩陣元及其不確定度，為中國以及世界無  中微子雙貝塔衰變的研究提供重要的理論支撐。

第 3 章描述錦屏地下實驗室的現狀與未來發(fā)展趨勢。中國錦屏地下實驗室位于四川省涼山彝族自治州錦屏水電站工程區(qū)域內，是利用錦屏二級水電站貫穿錦屏山的深埋長隧洞為基礎建設的世界上巖石埋深最大、實驗條件最為優(yōu)越的地下實驗室，具有巖石埋深大、宇宙線通量極低、巖石天然輻射本底低、交通便利、配  套設施完善等優(yōu)點。錦屏地下實驗室的建成，標志著中國已經具有開展物理學重大  基礎前沿科學研究的自主地下實驗平臺，對于推動我國相關領域的重大基礎前沿課題的自主研究意義重大。該地下實驗室不僅為我國開展暗物質、無中微子雙貝塔  衰變等低本底實驗提供良好的場所，還可以開展極深地下巖土力學、地質構造等方  面的實驗研究。

第 4 章用高純鍺 探測器陣列尋找 76Ge 無中微子雙貝塔衰變：根據當前國際高純鍺實驗以及我國 CDEX 實驗系統(tǒng)本底探測情況，深入研究探測器系統(tǒng)的放射性本底種類、來源和相對強度，對高純鍺晶體自身、探測器結構材料等的宇生放射性本底、U、Th 等原生放射性核素本底進行解譜分析，結合蒙特卡羅模擬研究， 確定各類本底的貢獻進而研究和建立針對這些本底的控制和降低方法。研究和掌握地下實驗室 76Ge 富集高純鍺探測器的制作工藝。建立 ～10kg 76Ge 富集的高純鍺探測器陣列系統(tǒng)，運行實驗系統(tǒng)并獲取數據，得到 0.001 counts/keV/kg/year 量級的本底水平，給出國際水平的半衰期下限結果，為未來達到 5～15 meV 中微子有效質量的探測靈敏度奠定基礎。

第 5 章用 Topmetal 芯片讀出系統(tǒng)的高壓氣體時間投影室尋找 82Se 無中微子雙貝塔衰變：研制以高壓氣體 82SeF6 為介質的時間投影室 (TPC) 技術，開展 “No neutrino Double-beta-decay Experiment (N DEx)” 實驗。驗證如下其他實驗不可替代的優(yōu)點：① 完全自主研發(fā)的低噪聲 Topmetal 芯片電荷平面讀出技術, 可以直接收集初始電離產生的電荷，無須放大，從而避免雪崩放大過程引入的漲落，并提高  能量分辨率，在 Q 值附近達到 1％; ② TPC 的讀出可以重建粒子徑跡，使得該實驗可以實現逐個事件的徑跡測量，大大降低本底提高事件區(qū)分能力。

第 6 章用晶體量熱器陣列尋找 100Mo 無中微子雙貝塔衰變：建立能夠測試高純晶體的低溫冷卻系統(tǒng)，穩(wěn)定工作溫度保持在 10 mK 左右，有效控制震動噪聲， 在本底 2615 keV 射線能量附近使能量分辨率低于 10 keV，設計有效的屏蔽系統(tǒng)壓低測試晶體外部的本底; 研制高純 Li2MoO4(LMO) 晶體；設計和模擬 LMO 晶體的探測器系統(tǒng)，爭取在 100Mo 同位素的無中微子雙貝塔衰變的 Q 值區(qū)間達到10？4counts/keV/kg/year 的本底目標。為在錦屏地下實驗室建設新一代的大型的基于國產 LMO 晶體的國際合作探測器建立技術基礎和研究隊伍。

第 7 章分別用大型液體和高壓氣體時間投影室尋找 136Xe 無中微子雙貝塔衰變。在液氙方向，近期建設 Pandax-4T 探測器 (4 噸液氙)，通過研發(fā)該探測器中光電倍增管的分壓和讀出電路，將感興趣的能區(qū)的能量分辨提高一倍。同時研發(fā)在線蒸餾系統(tǒng)和活性炭過濾系統(tǒng)等，可將探測器中 222Rn 含量降低一個量級。該探測器運行 3 年有效時間采集數據，預期無中微子雙貝塔衰變半衰期限制可達1025 年靈敏度。未來計劃建設 30 噸液氙探測器，預期半衰期限制提高到 6 1025 年。在氣氙方向，近期開發(fā) PandaX-III, 開始載量 150 公斤富集 136Xe 氣體，利用micromegas   微結構讀出探測器信號，可實現信號徑跡重建，極大地壓低本底和提高信號篩選。蒙特卡羅模擬表明徑跡信息可以進一步壓低本底 35 倍以上，從而可以確保 PandaX-III 首個探測器本底低至 10？4/keV/kg/year 的量級。預期半衰期靈敏度可達 9 1025 年。未來計劃實現噸級實驗，預期半衰期下限可提高到 1027 年， 相應的中微子有效質量為 20～50meV。

第 8 章離心分離技術濃縮 76Ge、82Se、100Mo 和 136Xe 同位素: 采用離心分離76Ge、82Se、100Mo 和 136Xe 同位素是實際可行的方法，在無中微子雙貝塔衰變實驗中對這些同位素需求是噸量級，且同位素豐度一般要求在 90％左右，在設定的初始條件下對這 4 種同位素進行級聯理論計算，并對具體同位素的分離方案進行優(yōu)化設計，從而對這 4 種同位素規(guī)模化生產的難易程度進行了比較，數據表明：① 從分離工質看，Xe 分離工質為單質氙，其他分離工質都是該元素的氟化物，在無中微子雙貝塔衰變實驗中，136Xe 和 82SeF6 可直接使用。② 從生產周期看，生產 1 噸豐度為 90％的 136Xe 僅需 320 天，其他同位素在 700～1500 天。③ 從原料利用率看，生產 1 噸 136Xe、76Ge、82Se 和 100Mo 所需原料分別為 10 噸、25 噸、25 噸和20 噸，對應的原料利用率以 Xe 的原料為最高。綜上所述，136Xe 同位素的規(guī)模化生產比其他 3 種同位素容易得多。從目前國內研發(fā)狀況看，136Xe 同位素濃縮技術已經完全掌握，只要資金投入到位，可短期實現規(guī)模化生產。76Ge、82Se 和 100Mo 三種同位素目前尚不具備規(guī)模化生產條件，但基本已有研究基礎，如果有項目牽引  或經費支持，有望在不久的將來突破相關技術，最終實現規(guī)模化生產。所以，從 4 種同位素無中微子雙貝塔衰變的預研究中通過與實際結果的比較，擇優(yōu)選取同位素是重要的。

無中微子雙貝塔衰變物理是粒子物理與核物理的重大前沿課題，值得 CJPL 作為一個重大科學研究方向開展。今后 3～5 年是中國物理領域在 CJPL 發(fā)展世界一流的大型無中微子雙貝塔衰變實驗的時間窗口。我們建議盡快啟動國內在無中微子雙貝塔衰變實驗探測器技術方面的預研，然后通過 3～5 年預研結果的比較，擇優(yōu)選取 2 種同位素源的測量，確定可以在 CJPL 建設下一代具有世界領先水平的無中微子雙貝塔衰變實驗的探測器技術方案。爭取在不長的時間內集中優(yōu)勢力量，  實現在 CJPL 開展無中微子雙貝塔衰變實驗，達到與國際上新一代的無中微子雙貝塔衰變實驗相比具有我們特定的科學和技術優(yōu)勢。同時，我們必須從現在起，在國內進一步提升無中微子雙貝塔衰變理論的研究，特別是核矩陣元的計算，為下一  代實驗探索無中微子雙貝塔衰變物理提供強有力的理論依據。

這本戰(zhàn)略思想庫的圖書，經過 30 多位專家組成員和邀請專家共同開展近兩年的深入調查研究和認真討論，廣泛聽取同行專家意見，進行認真修改，每篇文章通  過專家審核，最后定稿形成。所有專家 (包括戰(zhàn)略組成員和邀請專家) 和工作人員在他們繁忙的科研工作中抽出寶貴的時間，參加這項自主戰(zhàn)略研討，對他們的重要  貢獻表示衷心感謝。也衷心感謝中國科學院數學物理學部一直對這一項目的開展給予的領導和支持。希望本書對科技主管部門、關心我國科技發(fā)展和從事這方面研  究的工作者以及高等院校理科高年級本科生和研究生提供參考。

由于我們的知識水平有限，書中在所難免有不當之處，請讀者批評指正。

 

張煥喬 季向東

2019年10月

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