无中微子双贝塔衰变

• 无中微子双贝塔衰变

无中微子双贝塔衰变的原子核理论

双贝塔衰变的研究缘起

• 玛丽亚·格佩特-梅耶（Maria Goeppert-Mayer）在1935年提出了双贝塔衰变的可能性
• 埃托雷·马约拉纳（Ettore Majorana）在1937年证明了如果中微子是否是Majorana粒子不影响贝塔衰变理论
• 迈克尔·莫伊（Michael Moe）在1987年首次成功观测到了有中微子的双贝塔衰变
• 到目前为止，高纯锗探测技术与氙136探测技术均未观测到无中微子双贝塔衰变

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• 对无中微子双贝塔衰变理论的信心
  • 标准模型中，只有轻子数可以违反标准模型的全局对称性
  • 实验中观测到中微子振荡现象，这种现象与中微子在不同核反应中表现出不同的螺旋度类似

对力与对能

• 略

无中微子双贝塔衰变的重要意义

轻子数守恒

• 轻子的代数和反应前后不变

马约拉纳粒子

• 中微子是狄拉克粒子还是马约拉纳粒子
• 无中微子双贝塔衰变是唯一可以判断中微子是否是马约拉纳粒子的实验

无中微子双贝塔衰变实验

实验本底

• 宇宙高能质子射线
  • 簇射：宇宙线与空气中的原子核连续发生强作用与电磁作用，产生各种光子，重子与\mu子等
    • 其中通量最高的是\mu子
      • 静止的\mu 子直接衰变产生一个衰变电子
      • \mu 子被靶核捕获使其原子序数减一并发射出一个或多个中子
    • 扣除宇宙射线\mu 子的本底
      • 反符合探测器
    • 屏蔽效果
      • 差

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• 环境辐射本底
  • 如混凝土
    • 放射出gamma 射线
      • 干扰测量仪器
    • 屏蔽材料--Pb
      • 7cm 的铅层可将环境本底辐射减少至原先的百分之一，但仍然无法达到要求
    • 屏蔽材料--Cu
      • 市场获取困难
      • 生成困难
    • 使用液氮或者液氙包裹探测器

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• 探测器自身本底
• 靶材料受宇宙射线活化
• 选择在地下实验室进行

锗76的无中微子双贝塔衰变实验

核素选择

• 较高的衰变能
• 较高的元素富集度
• 衰变核素能否被制成探测器

• 锗的衰变能并不高但其富集度的提升容易实实现

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• 考虑本底的情况下该实验的灵敏度

• 实际量级：
  • 1 顿年的曝光量：观测到0.5个无中微子双贝塔衰变
• 中国暗物质合作组CDEX 依托锦屏山地下实验室CJPL 测量 锗76 无中微子双贝塔衰变实验

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无中微子双贝塔衰变晶体量热器实验

• 量热器 
  • 通过测量温度变化来标定能量的装置
• 现代温度传感器技术可以测量微小的温度变化，实现单粒子事件的测量
• 1984年 E.Fiorini 和 T.O.Niinikoski 提出利用低温量热器测量稀有事件
• CUORE实验
  • CUORE 装置从2017年5月起开始工作

其他探测实验

• 基于高压时间投影室的无中微子双贝塔衰变实验
• 时间投影室探测

参考文献

• 中国学科发展战略--无中微子双贝塔衰变实验--中国科学院
• 无中微子双贝塔衰变重中微子的交换机制——核子有效势的计算--陈友才
• Double beta decay,Mahirana neutrinos, and neutrino mass-- Frank T. Acignone