研究对中微子的怪异行为提出了新的限制

CUORE科学家Paolo Gorla博士（左）和Lucia Canonica博士（麻省理工学院右）检查CUORE低温系统。图片来源：Yury Suvorov和CUORE合作

在山下的实验室里，物理学家们正在使用比冰冻空气冷得多的晶体来研究幽灵般的粒子，希望从宇宙的一开始就了解秘密。低温地下罕见事件观测站（CUORE）的研究人员本周宣布，他们已经对中微子是其自身反粒子的奇怪可能性施加了一些最严格的限制。中微子是非常不寻常的粒子，如此飘渺，如此无处不在，以至于它们经常穿过我们的身体而我们没有注意到。CUORE在过去三年中一直耐心等待看到独特核衰变过程的证据，只有当中微子和反中微子是同一个粒子时才有可能。CUORE的新数据显示，这种衰变不会发生数万亿年，如果它真的发生的话。CUORE对这些微小幻影行为的限制是寻找粒子和核物理学下一个突破的关键部分 - 以及寻找我们自己的起源。

“最终，我们正试图了解物质的产生，”意大利Nasionalinali del Gran Sasso实验室（LNGS）研究员，CUORE发言人Carlo Bucci说。“我们正在寻找一种违反自然基本对称性的过程，”能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的博士后研究员Roger Huang补充道，他是这项新研究的主要作者之一。

CUORE——意大利语中“心脏”的意思——是世界上最敏感的中微子实验之一。CUORE的新结果基于比过去三年收集的任何其他高分辨率搜索大十倍的数据集。CUORE由一个国际研究合作组织运营，由意大利的Istituto Nazionale di Fisica Nucleare（INFN）和美国的伯克利实验室领导。CUORE探测器本身位于INFN设施LNGS近一英里的固体岩石下。美国能源部支持的核物理学家在这项实验中发挥了领先的科学和技术作用。CUORE的新结果今天发表在《自然》杂志上。

特殊颗粒

中微子无处不在- 当你阅读这句话时，仅通过你的缩略图就有数万亿个中微子通过。它们对宇宙中两种最强的力是不可见的，电磁力和强核力，这使得它们可以直接穿过你，地球和几乎其他任何东西而不相互作用。尽管它们数量庞大，但它们的神秘性质使它们非常难以研究，并且自90多年前首次假设以来，物理学家一直在挠头。直到1990年代末，人们甚至不知道中微子是否有任何质量 - 事实证明，它们确实如此，尽管不是很多。

关于中微子的许多悬而未决的问题之一是它们是否是自己的反粒子。所有粒子都有反粒子，它们自己的反物质对应物：电子有反电子（正电子），夸克有反夸克，中子和质子（构成原子核）有反中子和反质子。但与所有这些粒子不同的是，从理论上讲，中微子有可能成为它们自己的反粒子。这种粒子是它们自己的反粒子，最初是由意大利物理学家Ettore Majorana在1937年假设的，被称为Majorana费米子。

如果中微子是马约拉纳费米子，这可以解释我们自己存在的根源上的一个深刻问题：为什么宇宙中的物质比反物质多得多。中微子和电子都是轻子，是一种基本粒子。自然界的基本定律之一似乎是轻子的数量总是守恒定的——如果一个过程创造了一个轻子，它也必须创造一个反轻子来平衡它。同样，质子和中子等粒子被称为重子，重子数似乎也是守恒的。然而，如果重子和轻子数总是守恒的，那么宇宙中的物质将与反物质一样多——在早期宇宙中，物质和反物质相遇并被湮灭，我们就不会存在。某些东西一定违反了重子和轻子的确切守恒。进入中微子：如果中微子是它们自己的反粒子，那么轻子数就不必守恒，我们的存在就变得不那么神秘了。

“宇宙中的物质 - 反物质不对称性仍然无法解释，”黄说。“如果中微子是它们自己的反粒子，这可能有助于解释它。

这也不是马约拉纳中微子唯一可以回答的问题。中微子的极端轻盈，比电子轻约一百万倍，长期以来一直令粒子物理学家感到困惑。但是，如果中微子是它们自己的反粒子，那么一种被称为“跷跷板机制”的现有解决方案可以以优雅而自然的方式解释中微子的轻盈。

罕见衰变的罕见装置

但是确定中微子是否是它们自己的反粒子是很困难的，正是因为它们根本不经常相互作用。物理学家寻找马约拉纳中微子的最佳工具是一种假设的放射性衰变，称为无中微子双β衰变。β衰变是一些原子中相当常见的衰变形式，将原子核中的中子变成质子，改变原子的化学元素，并在此过程中发射电子和反中微子。双β衰变更为罕见：不是一个中子变成质子，而是两个中子，在这个过程中发射出两个电子和两个反中微子。但是，如果中微子是马约拉纳费米子，那么从理论上讲，这将允许单个“虚拟”中微子作为它自己的反粒子，在双β衰变中取代两个反中微子。只有两个电子才能从原子核中出来。几十年来，无中微子双β衰变已被理论化，但从未见过。

CUORE实验已经竭尽全力在这种衰变过程中捕获碲原子。该实验使用了近千种高纯度的氧化碲晶体，总重量超过700公斤。这么多的碲是必要的，因为平均而言，一个不稳定的碲原子经历普通的双β衰变需要比当前宇宙的年龄长数十亿倍。但是CUORE使用的每个晶体中都有数万亿个碲原子，这意味着普通的双β衰变在探测器中相当有规律地发生，大约每天在每个晶体中发生几次。无中微子双β衰变，如果真的发生的话，甚至更罕见，因此CUORE团队必须努力去除尽可能多的背景辐射源。为了保护探测器免受宇宙射线的伤害，整个系统位于意大利半岛最大的山峰Gran Sasso山的下方。数吨铅提供进一步的屏蔽。但是，由于铀和其他元素的污染，新开采的铅具有轻微的放射性，放射性会随着时间的推移而降低 - 因此用于包围CUORE最敏感部分的铅主要是从沉没的古罗马船上回收的铅，已有近2000年的历史。

也许CUORE使用的最令人印象深刻的机器是低温恒温器，它可以使探测器保持低温。为了检测无中微子双β衰变，CUORE探测器中每个晶体的温度都用能够检测到小至万分之一摄氏度的温度变化的传感器进行仔细监测。无中微子双β衰变具有特定的能量特征，并且会将单个晶体的温度升高一个明确且可识别的量。但为了保持这种灵敏度，探测器必须保持非常冷 - 特别是，它保持在10 mK左右，比绝对零度高出百分之一度。“这是已知宇宙中最冷的立方米，”Gran Sasso科学研究所的研究员，CUORE的运行协调员Laura Marini说。由此产生的探测器的灵敏度确实令人惊叹。“当智利和新西兰发生大地震时，我们实际上在探测器中看到了它的一瞥，”马里尼说。“我们还可以看到海浪在60公里外的亚得里亚海海岸上撞击。这个信号在冬天，当暴风雨时会变得更大。

穿过心脏的中微子

尽管有惊人的灵敏度，CUORE还没有看到无中微子双β衰变的证据。相反，CUORE已经确定，平均而言，这种衰变发生在单个碲原子中的频率不超过每22万亿年一次。“如果观察到，无中微子双β衰变将是自然界中观察到的最罕见的过程，其半衰期比宇宙年龄长一百万倍以上，”约翰霍普金斯大学助理教授兼CUORE物理委员会成员Danielle Speller说。“CUORE可能不够灵敏，即使它确实发生了这种衰变，也无法检测到这种衰变，但重要的是要检查。有时物理学会产生令人惊讶的结果，而这正是我们学到最多东西的时候。即使CUORE没有找到无中微子双β衰变的证据，它也为下一代实验铺平了道路。CUORE的继任者，CUORE升级与粒子识别（CUPID）已经在进行中。CUPID的灵敏度将比CUORE高出10倍以上，可能使其能够瞥见Majorana中微子的证据。

但不管其他任何事情，CUORE都是科学和技术的胜利 - 不仅因为它对无中微子双β衰变速率的新限制，还因为它展示了其低温恒温器技术。“这是世界上最大的同类冰箱，”LNGS的科学家兼CUORE的技术协调员Paolo Gorla说。“而且它已经连续保持在10 mK大约三年了。这种技术的应用远远超出了基本粒子物理学。具体来说，它可能会在量子计算中找到用途，其中保持大量机器足够冷并屏蔽环境辐射以在量子水平上进行操纵是该领域的主要工程挑战之一。

与此同时，CUORE尚未完成。“我们将运营到2024年，”Bucci说。“我很高兴看到我们的发现。

未完成。“我们将运营到2024年，”Bucci说。“我很高兴看到我们的发现。