世界各地都在寻找可以解开一个巨大反物质之谜的奇异“Majorana”粒子

众所周知，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳 (Ettore Majorana) 于 1938 年消失得无影无踪。他最喜欢的基本粒子，中微子，可能也有类似的消失行为。世界各地的一些新的或升级的实验正在竞相证明，一种通常会产生两个中微子的极其罕见的核衰变有时可能不会产生任何中微子。

与探测暗物质的努力相比，这些实验获得的资金或关注较少，但它们对物理学的影响可能同样重要。粒子消失的现象表明，中微子和反中微子，它们的反物质对应物，是同一个东西——马约拉纳在 1930 年代首次提出了理论1的可能性。

这种“Majorana 中微子”可能是理解为什么宇宙似乎包含很少反物质的关键（参见“如果中微子是 Majorana 粒子，可以回答的问题”）。此外，他们将证明，与所有其他已知的物质粒子（例如电子或夸克）不同，中微子的质量并非来自希格斯玻色子。

德雷塞尔大学的实验物理学家米歇尔·多林斯基 (Michelle Dolinski) 表示，物理学家们几十年来一直在寻找中微子的消失，但现在搜索量急剧增加，这意味着他们“有一个非常好的机会”用下一代设备检测它在宾夕法尼亚州费城。

现在在线或在日本、韩国、意大利、加拿大和美国进行的实验比上一代更灵敏一个数量级，并且计划中的未来探测器将在此基础上再提高两个数量级（参见“周围的实验”）世界'）。2015 年，美国能源部的一个咨询委员会将此类项目确定为优先事项，并承诺资助一项检测马约拉纳中微子的实验——估计成本高达/约 2.5 亿美元——被认为迫在眉睫。

漫长的等待

每当不稳定原子核中的质子衰变成中子时，就会产生中微子或反中微子，反之亦然。这个过程被称为 β-衰变，它也会射出一个电子或其反粒子——统称为 β-粒子。

一名男子站在 LEGEND-200 实验的水箱中。中心的低温恒温器使锗 76 目标保持低温。图片来源：Kai Freund/GERDA 合作

1935 年，诺贝尔奖得主物理学家 Maria Goeppert-Mayer 预测2某些原子核可以通过将其中的两个中子同时转换为质子（反之亦然），从而发出两个 β 粒子来衰变。这种“双β衰变”也应该产生两个中微子或反中微子。Goeppert-Mayer 的计算被发现是正确的，但这种类型的衰变极为罕见：一个案例3，碲 128 到氙 128 的嬗变，具有任何核反应中最长的已知半衰期，超过 10 24年，或 100 亿年。

在 Goeppert-Mayer 的论文发表四年后，物理学家温德尔·弗瑞 (Wendell Furry) 指出4如果马约拉纳是对的并且中微子是它们自己的反粒子，那么双重衰变的原子核发出的两个中微子偶尔会相互湮灭，因此原子核只会发射电子。

测试马约拉纳中微子存在的实验试图检测这种无中微子双 β 衰变。从概念上讲，这非常简单：取一大块可能经历这一过程的材料，并尽可能长时间地观察它，看看它是否会发射两个携带特定能量的电子。

但是，如果存在无中微子放射性，它将是迄今为止已知的最慢的核衰变形式：至少比普通的双 β 衰变少两个数量级。迄今为止最好的结果——来自意大利中部地下格兰萨索国家实验室的锗探测器阵列 (GERDA) ——发现5，该过程的一种候选物锗 76 的半衰期必须超过 1.8 × 10 26年。这大约是宇宙年龄的 10 千万亿倍。

当关于罕见放射性衰变的实验增加了它们的能力或只是积累了大量数据时，通常会发生两种情况之一：要么最终观察到他们正在寻找的反应，要么提高其半衰期的阈值。因此，对半衰期设置限制的可能性可以衡量实验的灵敏度。

现在开始或处于计划阶段的实验旨在比 GERDA 有效约 100 倍——将半衰期限制为 10 28年或更长。

许多团队——使用各种方法——正在竞相寻找中微子衰变的证据并证明马约拉纳粒子的存在。

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提高灵敏度的一种常见策略是降低背景噪声，例如探测器内部或周围的放射性杂质，这些杂质可能会产生看起来像带有马约拉纳中微子特征的电子对的错误信号。一些团队不遗余力地消除这些。“如果你捡起一点点灰尘，它可能是百万分之一的放射性；我们的材料通常是万亿分之一，”多林斯基说，他是富氙天文台 (EXO-200) 的发言人，这是最近在新墨西哥州卡尔斯巴德附近的地下废物隔离试验厂完成的马约拉纳中微子实验。

Gran Sasso 的另一项实验——罕见事件低温地下天文台（CUORE，意大利语意为“心脏”）——将其探测器的核心温度保持在 0.01 开尔文，以帮助它区分各种信号；它被描述为“宇宙中最冷的立方米”。CUORE 还使用4 吨从沉船中回收的具有特别低放射性的古罗马铅来保护其碲目标。

在所有现有实验中，GERDA 在降低背景噪声方面最为成功：在其大约十年的运行中，它看到了模仿 Majorana-中微子特征的基本上零事件。

意大利帕多瓦大学的物理学家发言人 Riccardo Brugnera 表示，至关重要的是，锗探测器浸入了大约 85 开尔文的液态氩气罐中，它具有三重作用。它使锗保持低温；它可以屏蔽外界辐射；它充当探测器，清除可能仍会穿透核心的辐射信号。

GERDA 去年被拆除，因为其团队与美国领导的名为 MAJORANA 的合作机构联手建造了一个更大的探测器：LEGEND-200，其目标是由 200 公斤的锗 76 制成。Gran Sasso 目前正在建设中，将于 11 月开始采集数据。放大目标的大小会增加看到衰减的几率。“你还需要一个大质量，否则你将不得不等待几个世纪，”布鲁涅拉说。

其他实验通过依靠目标的绝对大小达到了对 GERDA 的类似敏感性。在日本和加拿大的地下实验室，物理学家重新利用了最初用于捕捉中微子的大型探测器。日本的 KamlandZen800 有大约 750 公斤的氙 136，而加拿大的 SNO+ 将有 1,300 公斤的碲130。两个实验都发现了高能粒子在穿过装有数百吨矿物油的储罐时产生的光条纹。

在争取资金

Dolinski 的 EXO-200 开创了另一种方法，它使用 200 公斤液态氙 136。氙既作为无中微子衰变的候选同位素，又作为显示电子的介质。类似的基于氙气的探测器被调整为从太空捕捉粒子，对暗物质进行了最广泛的搜索。

加利福尼亚州斯坦福大学的物理学家乔治·格拉塔 (Giorgio Gratta) 在 2000 年代初帮助构思了它，他说，成本不到 1500 万美元，EXO-200“是在雷达下建造的，忽略了很多官僚主义”。Gratta 希望美国能源部的预期资金将用于一个名为 nEXO 的更具雄心的版本，该版本将拥有 5 吨氙气，成本约为 2.5 亿美元。

nEXO 的竞争对手中有 LEGEND-200 团队，该团队提议扩大到“LEGEND-1000”实验，使用 1 吨锗 76。

物理学家说，在竞赛中拥有各种大型探测器至关重要。无中微子衰变的第一个迹象将显示为数据中的一个小凸起，其他实验将需要重复这些发现。“首先需要做的是，你必须用不同的同位素来确认它，”CUORE 发言人、格兰萨索的物理学家 Carlo Bucci 说。

然而，不能保证这些实验中的任何一个都能在短期内表明中微子是马约拉纳粒子。领先的理论模型预测它们应该如此，但这些模型部分基于对中微子质量的猜测。尽管如此，大多数物理学家认为这是时间问题，而不是如果。然后，至少有一个与埃托雷·马约拉纳有关的消失行为将得到解决。

如果中微子同时是物质和反物质，它可能有助于回答基础物理学中的许多主要问题。

1. 所有的反物质都去哪儿了？如果中微子是马约拉纳粒子，它可能有助于解释为什么宇宙包含的物质远远多于反物质。大爆炸应该创造了相等数量的每一种。但是，物质在热的原始汤中亚原子粒子之间的反应中存活的机会要稍好一些，从而导致当前的不平衡。最大的问题是为什么。普通的双β衰变产生两个电子和两个反中微子，所以它不会改变粒子和反粒子的平衡。但是无中微子双 β 衰变只会产生两个电子，从而导致宇宙粒子数量的净增加。

2. 中微子的质量从何而来——它们有多少？在 1970 年代制定的粒子物理学标准模型中，夸克和电子的质量来自希格斯玻色子，而中微子的质量为零。然后，在 1990 年代，物理学家发现中微子确实有质量——尽管具体有多少未知。如果中微子是马约拉纳粒子，它们的质量来自希格斯粒子以外的机制。此外，测量无中微子衰变的频率将间接测量反中微子（因此是中微子）的质量，因为粒子越大，它们相互湮灭的可能性就越大。

3. 为什么中微子总是以同样的方式旋转？与电子等粒子不同，中微子总是向一个方向旋转：它们的轴总是被观察到与它们的运动方向一致，它们的旋转总是“左旋”或逆时针旋转。反中微子只在右手自旋中被观察到。当物理学家制定标准模型时，他们嵌入了这种不对称性。但如果中微子是马约拉纳粒子，那意味着反中微子可能只是向相反方向旋转的中微子。