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地下中微子实验为深入发现物质奠定了基础

如果在130亿年前的大爆炸中形成了等量的物质和反物质,人们会在会面时消灭对方,今天的宇宙将充满能量,但无论形成恒星,行星和生命。但现在存在问题。这一事实表明,描述亚原子粒子与其反粒子之间对称性的标准模型方程式存在问题。在物理评论快报发表的一项研究 中 ,MAJORANA DEMONSTRATOR的合作者,由能源部橡树岭实验室领导的一项实验,已经证明他们可以屏蔽敏感,可扩展的44​​千克锗探测器阵列免受背景放射性影响。

这项成就对于开发和提出更大的未来实验至关重要 - 大约有一吨探测器 - 用于研究中微子的性质。这些电中性粒子仅与物质微弱地相互作用,使得它们的检测非常困难。

“反物质的过剩物质是科学中最引人注目的奥秘之一,”ORNL的约翰威尔克森和北卡罗来纳大学教堂山分校说。威尔克森领导MAJORANA DEMONSTRATOR,涉及来自27个机构和6个的129名研究人员。“我们的实验旨在观察原子核中称为'中微子双β衰变'的现象。观察结果表明,中微子是他们自己的反粒子,对我们对宇宙的理解具有深远的意义。此外,这些测量可以更好地了解中微子质量。“

核能科学咨询委员会向能源部和科学基金会提交的2015年报告中,领导的用于检测中微子双β衰变的吨级实验被认为是核物理界的首要任务。近十几个 实验已经寻求中微子双β衰变,并且已经提出了许多未来的实验。成功的关键之一取决于避免可能模仿中微子双β衰变信号的背景。

这是MAJORANA DEMONSTRATOR的关键成就。它的实施于2016年9月在南达科他州完成,距离桑福德地下研究设施近一英里 。在近一英里的岩石下进行实验是合作者为减少背景干扰而采取的众多步骤中的第一步。其他步骤包括由世界上最纯净的铜制成的低温恒温器和复杂的六层屏蔽,以消除宇宙射线,氡,灰尘,指纹和天然存在的放射性同位素的干扰。

“如果你要寻找中微子双β衰变,那么知道放射性背景不会压倒你所寻找的信号至关重要,”ORNL的实验主要科学家David Radford说。

原子核分裂的方法有很多种。当核内的中子发射电子(称为“β”)和反中微子成为质子时,会发生常见的衰变模式。在两个中微子双β衰变中,两个中子同时衰变产生两个质子,两个电子和两个反中微子。已经观察到该过程。MAJORANA Collaboration寻找从未观察到的类似衰变过程的证据,其中没有发射中微子。

保留了没有参与强相互作用的轻子 - 亚原子粒子(如电子,μ子或中微子)的数量 - 被写入物理标准模型。“没有真正合理的理由,只是观察到它就是这种情况,”拉德福德说。“但是,如果轻子数不是守恒的,当加入到我们认为在早期宇宙中发生的过程时,这可能有助于解释为什么物质比反物质更多。”

许多理论家认为,轻子数不是守恒的,中微子和反中微子 - 假设它们具有相反的轻子数 - 实际上是以不同方式旋转的相同粒子。物理学家Ettore Majorana在1937年引入了这一概念,预测了粒子的存在是他们自己的反粒子。

MAJORANA DEMONSTRATOR使用锗晶体作为双β衰变的来源和检测它的方法。锗-76(Ge-76)衰变成硒-76,其质量较小。当锗衰变时,质量会转化为电子和反中微子带走的能量。“如果所有这些能量都转移到电子上,那么没有剩余能用于中微子,”拉德福德说。“这是一个明确的标识符,我们发现了我们正在寻找的事件。”

科学家通过能量特征来区分两个中微子与中微子衰变模式。“我们的实验检测到中微子是一种常见的误解,”华盛顿大学的Jason Detwiler说,他是MAJORANA Collaboration的共同发言人。“这说起来几乎是滑稽的,但我们正在寻找 中微子的 缺席。在中微子衰变中,释放的能量总是特定的值。在双中微子版本中,释放的能量变化但总是小于中微子双β衰变。“

MAJORANA DEMONSTRATOR表明,Ge-76的中微子双β衰变半衰期至少为10 25 年 - 比宇宙年龄长15个数量级。因此,等待单个锗原子核衰变是不可能的。 南卡罗来纳大学的联合发言人Vincente Guiseppe解释说:“我们不可能长时间观察一个核心,而是在更短的时间内观察10 26核的数量级。”

Guiseppe说,在Ge-76中发现中微子双β衰变的机会很少 - 每100,000次中微子双β衰变不超过1次。使用含有大量锗原子的探测器会增加发现罕见衰变的可能性。在2015年6月至2017年3月期间,科学家们观察到没有中微子衰变能量分布的事件,这一过程尚未观察到(考虑到探测器中的锗核数量很少,这是预期的)。然而,他们被鼓励看到许多事件具有两个中微子衰变的能量分布,验证探测器可以发现已经观察到的衰变过程。

MAJORANA Collaboration的结果与一项名为GERDA(用于GERmanium探测器阵列)的竞争实验的新结果相吻合,后者采用补充方法研究同一现象。“MAJORANA DEMONSTRATOR和GER​​DA共同拥有任何中微子双β衰变实验的最低背景,”Radford说。

DEMONSTRATOR旨在通过证明背景可以足够低以证明建造更大的探测器来为吨级实验奠定基础。正如较大的望远镜收集更多光线并观察较暗的物体一样,增加锗的质量可以更有可能观察到罕见的衰变。锗比现有实验多30倍,计划中的1吨实验将能够发现每年只有一个锗核的中微子双β衰变。

MAJORANA DEMONSTRATOR计划继续采用两到三年的数据。与此同时,与GERDA的合并正在开发一种名为LEGEND的可能的一吨探测器 ,计划在一个尚未确定的地点分阶段建造。

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