4月6日，意大利格蘭薩索國家實驗室（LNGS）和美國勞倫斯伯克利國家實驗室 (LBL)同步發布無中微子雙貝塔衰變(0nDBD)國際合作實驗(CUORE)，對中微子奇異屬性研究的最新進展。CUORE的最新結果對“中微子馬約拉納屬性”給出了最嚴格的實驗限制之一。同日，該成果在《自然》發表并配發新聞觀察。
CUORE實驗是科學家在極深的地下，通過處于極低溫環境的晶體來研究中微子特性，希望以此找到宇宙起源的秘密。該實驗位于意大利中部亞平寧山脈主峰之下1500多米深處，實驗室上方的巖石屏蔽使宇宙射線強度衰減100萬倍，這給尋找極端稀有事件提供了低本底的實驗環境。
格蘭薩索國家實驗室CUORE探測器 受訪者供圖
“CUORE實驗的目的是尋找無中微子雙貝塔衰變，從而驗證中微子的馬約拉納特性。”中科院院士、復旦大學教授馬余剛對《中國科學報》說，“中微子是否其自身的反粒子，是粒子物理與核物理領域的重大科學問題之一，有可能幫助科學家回答為什么宇宙中正物質遠比反物質多，這是人類能夠在宇宙中存在的根本原因之一。”
0nDBD是地球實驗室中探索中微子馬約拉納屬性的唯一可行方法，即便這種罕見過程發生，其衰變的半衰期至少比宇宙壽命長一億億倍。該衰變將給出馬約拉納中微子的絕對質量，從而得到超出粒子物理學標準模型的確鑿證據，由于此過程中沒有中微子發射，這也將直接打破標準模型中的輕子數守恒定律。
CUORE實驗通過206公斤極高純度的130Te晶體來尋找可能發生的無中微子雙貝塔衰變。絕對零度附近的二氧化碲（TeO2）晶體具有極高熱靈敏度，實驗中通過TeO2晶體極其細小的溫度變化來測量單次核衰變釋放出來的能量。該探測器由19個極高純度的TeO2晶體塔組成，每個晶體塔由52個晶體構成。
此外，CUORE合作組還建造了能將晶體塔冷卻至絕對零度附近的低溫器。該低溫器于2014年9月份試運行，成功把1立方米的體積冷卻到6m K（0.006K）,創造了宇宙中最冷的立方體。
合作組此次發布的最新結果是CUORE實驗的首個噸?年累積數據（1噸晶體測量1年的數據）。目前沒有觀測到無中微子雙貝塔衰變，但給出了130Te無中微子雙貝塔衰變的半衰期下限為2.2X1025年，這是迄今最嚴格限制（在90%置信區間內）。
“從目前的結果看，即使存在無中微子雙貝塔衰變，CUORE的靈敏度可能還不足以探測到它。但CUORE實驗實現了晶體量熱器探測技術創新，研制的低溫恒溫器是目前宇宙中最冷立方體，為下一代更高分辨率實驗奠定了基礎。”馬余剛說。
實際上，CUORE實驗的升級版CUPID已經在運行。CUPID的探測靈敏度將比CUORE提高約10倍，將給中微子馬約拉納屬性研究帶來希望。
CUORE合作組部分科學家（左一馬余剛，左二沈文慶） 受訪者供圖
CUORE合作組由來自意大利、美國、中國、西班牙、法國等國家的100多位科學家組成，中國的參與單位有復旦大學和上海交通大學。
復旦大學是該國際合作實驗的成員之一，早在2006年，馬余剛團隊就承擔了主探測器材料Te、TeO2粉末以及硝酸、鹽酸等溶劑材料的樣品純度的高精度檢測，隨后參與了CUORE-0、CUORE實驗的現場安裝、調試等工作，目前每年參與實驗的日常運行工作。
上海交通大學副教授韓柯自2009年開始參與CUORE實驗，2016年代表上海交通大學加入合作組，目前主要興趣是晶體量熱器熱傳導模型研究和新型溫度傳感器的應用。
當前，國內也在積極推動相關研究。依托中國錦屏地下實驗室“十三五”國家重大科技基礎設施，由復旦大學牽頭, 聯合清華大學、北京師范大學、中國科學技術大學、上海交通大學等多家單位合作成立了CUPID-China合作組，共同發展基于100Mo同位素的新一代低溫晶體量熱器實驗技術，研發鉬酸鋰(Li2MoO4)閃爍晶體探測器，開展無中微子雙貝塔衰變實驗探測研究。
“CUPID-China推動的實驗采用新一代光熱雙讀出技術，靈敏度比CUORE實驗更高，它利用國內在晶體生長技術方面的優勢，開展無中微子雙貝塔衰變實驗探測。”馬余剛補充說，“該實驗將對我國在中微子基本屬性、正反物質對稱性及宇宙起源等基礎前沿研究領域起到重要促進作用。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04497-4
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