作者：马龙马余刚黄焕中?
(复旦大学核物理与离子束应用教育部重点实验室现代物理研究所)
本文选自《物理》年第3期
摘要中微子可能的马约拉纳粒子属性超出了目前标准模型的范畴，是粒子物理与核物理研究领域最重要的科学问题之一。无中微子双贝塔衰变(0vββ)实验是能够确定中微子马约拉纳属性的唯一途径。0vββ的发现可以揭示中微子绝对质量、轻子数破缺、物质—反物质不对称等一系列自然奥秘，是当今粒子物理与核物理研究的前沿课题。在探索无中微子双贝塔衰变的可选择实验方案中，低温晶体量热器具有高能量分辨率、高运行稳定性和低辐射本底的技术优势，成为新一代0vββ实验最具竞争力的探测器技术之一。文章首先介绍无中微子双贝塔衰变的研究历史，之后介绍低温晶体量热器及其最先进的代表——CUORE实验，最后展望关于我国锦屏地下实验室开展低温晶体量热器0vββ实验研究的前景。
关键词低温晶体量热器，无中微子双贝塔衰变，马约拉纳中微子，中国锦屏
地下实验室
1最慢的稀有衰变
理解宇宙中物质的起源和演化是当代物理学最重要的问题之一。大爆炸理论认为宇宙最初时刻物质和反物质应当各占一半。但实验观测结果显示，宇宙基本上由物质构成，反物质无迹可寻。是什么原因造成了反物质世界的消失，仅仅遗留下我们所见的物质世界？
20世纪80年代以来，中微子研究逐渐成为粒子物理、核物理和宇宙学的交叉前沿课题。科学家普遍认为，广泛存在于物质世界中的中微子可能包含了反物质世界如何消失的重要信息。中微子的发现最早要追溯到年，为了解释贝塔衰变连续能谱问题，奥地利物理学家泡利(WolfgangPauli)推断在贝塔衰变中可能存在一个电中性、质量很小的新粒子，伴随着电子出现并且随机带走了一部分能量。3年后，意大利物理学家费米(EnricoFermi)将这种假想的粒子改名为“中微子(neutrino)”，含义为微小的电中性粒子。自从中微子被预言以后，人们尝试过许多方法来寻找它，但由于它质量太小、不带电、穿透力极强，几乎不与物质相互作用，因此探测十分困难。直到年，科万(ClydeCowan)和雷因斯(FrederickReines)观测到核反应堆产物衰变产生的反中微子诱发的核反应才第一次得到中微子存在的实验证据[1]。
日本物理学家梶田隆章(TakaakiKajita)和加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳(ArthurMcDonald)因中微子振荡效应的发现分享了年诺贝尔物理学奖。中微子振荡实验结果表明中微子具有非零质量。然而，目前的中微子振荡实验结果只能确定不同类中微子之间的质量平方差，无法测量中微子的绝对质量。不同类中微子满足怎样的质量排序？中微子的绝对质量是多少？这些科学问题仍然是未解之谜。
物理学将自然界中正反粒子不同的费米子定义为狄拉克费米子，由狄拉克方程描述。年，意大利天才物理学家埃托雷·马约拉纳(E.Majorana)改写了狄拉克方程，来描述自旋为1/2的电中性粒子，满足这一方程的正反粒子为同一粒子，具备这种性质的粒子后来被称为马约拉纳费米子。马约拉纳预言自然界应该存在这种正反粒子相同的费米子。
在已知的粒子物理基本粒子中，电中性的中微子是唯一可能为马约拉纳费米子的粒子。为了证实中微子是否为其自身的反粒子，哈佛大学的弗里(W.Furry)于年提出寻找末态仅仅产生两个电子而没有中微子的双贝塔衰变过程，即无中微子双贝塔衰变(neutrinolessdoublebetadecay，0vββ)，来确定中微子的属性。只有中微子是其本身的反粒子，也就是马约拉纳费米子的情况下，才可能发生无中微子双贝塔衰变。
双贝塔衰变最早由德裔物理学家玛丽亚·格佩特-梅耶(MariaGoeppert-Mayer)于年提出。双贝塔衰变，顾名思义，即发出两个电子，衰变至原子序数次邻近的原子核的衰变过程。在通常的双贝塔衰变过程中，原子核中两个中子转变成两个质子，释放出两个电子，同时伴随产生两个反中微子。如图1(a)所示，这样的过程被称为双中微子双贝塔衰变(2vββ)——尽管概率很小但是在标准模型框架内是被允许的。一个原子数A电荷数Z的原子核发生一次双中微子双贝塔衰变的形式为
2vββ衰变几率很低，其半衰期寿命很长，实验探测极其困难。自双贝塔衰变概念提出以来，直到50多年后的年，才在实验室中第一次观测到核素82Se的双中微子双贝塔衰变过程。理论上自然界中能够发生双贝塔衰变的核素有35种，迄今为止已经在12种核素中实验观测到2vββ，测量到的半衰期都在年以上。
图1(a)双中微子双贝塔衰变(2vββ)；(b)无中微子双贝塔衰变(0vββ)
若中微子为马约拉纳粒子，那么伴随双电子衰变产生的双中微子可以是正反粒子对而相互“湮灭”，衰变末态没有中微子。如图1(b)所示：
目前我们并不知道中微子是否为马约拉纳粒子及其导致无中微子双贝塔衰变的物理机制。即使可以发生，0vββ的衰变几率肯定远低于2vββ，其半衰期至少要比宇宙的寿命长一百万亿倍，可以说是自然界中最慢的核衰变过程。实验上观测到0vββ将提供中微子是马约拉纳粒子的直接证据。0vββ的发生概率还和中微子质量有着密切的联系，测量到0vββ将帮助间接确定中微子绝对质量。此外，0vββ是违背轻子数守恒的衰变过程(初态的轻子数为0，末态轻子数为2)，是超出标准模型的破坏轻子数守恒的新物理现象。理论上一个非常具有吸引力的可能性是轻子数不守恒和CP对称性破缺引发宇宙演化过程中重子数破缺，从而导致如今自然世界物质和反物质的不对称性。在无中微子双贝塔衰变实验中确认中微子马约拉纳粒子属性是探寻宇宙正反物质不对称性起源的重要部分。
由于科学意义重大，实验寻找0vββ衰变成为粒子物理与核物理领域前沿研究的重点方向。在应用于寻找0vββ衰变的高纯锗、低温晶体量热器、液态闪烁体、高压气体等不同的先进探测器技术方面，近年来取得了相当可观的进展。具有相当规模的0vββ衰变实验正在国际上多个深地实验室运行(图2)，研制的新一代0vββ实验的探测器技术也日趋成熟。
图20vββ代表性实验。(a—d)分别为GERDA实验、EXO-实验、KamLAND-zen实验和CUORE实验
其中以高纯锗技术为代表的实验包括：意大利的锗阵列探测器GERDA和美国的研究装置MAJORANADemonstrator。GERDA是一项基于富集材料锗-76的高纯锗探测器实验，位于意大利格兰萨索地下实验室(LNGS)。GERDA使用富集度为88%的高纯锗-76制造的晶体单元组成探测器阵列，寻找锗-76的0vββ衰变。通过不断提升测量灵敏度，实验于年给出目前76Ge0vββ寿命的最高下限值。MAJORANADemonstrator实验装置位于美国南达科他州圣福德地下研究设施(SanfordUndergroundResearchFacility)。其锗阵列探测器位于独立的低温保持器中，外部建设有多级屏蔽体，实现放射性本底的屏蔽。以液氙时间投影室为代表的实验主要为美国的EXO-实验。EXO-是一个位于美国新墨西哥州的新型液氙时间投影室实验装置。实验使用了kg丰度为81%Xe的液氙，通过读出电子和光子信号测量能量和衰变产生区域，寻找Xe原子核可能发生的0vββ衰变。以液态闪烁体为代表的当前测量灵敏度最高的实验是日本的KamLAND-zen实验，这是一个基于Xe的液氙探测装置，建立在日本成功发现反应堆中微子振荡的KamLAND实验之上。KamLAND-zen将kgXe溶入到一个直径为3m、盛满13吨液体闪烁体溶剂的袋子，整个袋子置于吨液体闪烁体的探测器中。该实验仅仅测量氙衰变后的闪烁光信号来实现0vββ事件甄别。作为低温晶体量热技术代表的CUORE(CryogenicUndergroundObservatoryforRaveEvent)实验位于意大利格兰萨索地下实验室(LNGS)，采用自然丰度Te的TeO2晶体制成探测器单元，通过读出Te双贝塔衰变释放能量在晶体中引发的声子信号寻找Te的0vββ衰变。CUORE探测器的设计理念以较高的能量分辨率、较低本底水平和大型实验的高性价比为核心。
表1列出了截至年底不同实验测得的无中微子双贝塔衰变半衰期的下限结果，实验的灵敏度范围主要覆盖了50—meV的中微子有效马约拉纳质量区间[2—5]。目前运行的实验尚未发现无中微子双贝塔衰变迹象，仅仅给出了迄今为止0vββ半衰期下限和有效马约拉纳质量最严格的限制，随着实验技术的不断提升，新一代的实验将进一步突破探索中微子属性的极限。
表1世界上不同类型的0νββ实验结果比较(数据截至年)
2最冷立方体中的晶体探测器
实验探测无中微子双贝塔衰变(0vββ)关键的观测量是衰变事件中末态双贝塔的能谱。普通双贝塔衰变由于末态伴随两个中微子的产生呈现一个连续的双贝塔能谱，而0vββ过程由于没有中微子带走能量，在核反应的阈值(Qββ)附近会形成一个尖峰。0vββ实验就是要在连续的本底下寻找这样一个罕见的峰。能够在实验上发现并且证明0vββ峰具有极大的挑战，需要高能量分辨率和低辐射环境以获得较高的信噪比，减少信号搜索区域内的本底。
在较为成熟的0vββ实验探测技术方案中，低温晶体量热器以其高能量分辨率和运行稳定性，以及低辐射本底的技术优势成为建造新一代大型实验的主要竞争方案之一。量热器是通过测量温度变化来标定能量的装置，在科学研究上的应用可以追溯到年，S.P.Langley发明了辐射热测量仪测量来自太阳的红外线[6]。年，D.H.Andrews等人采用低温氮化铌超导微条实现对α粒子的探测，开辟了利用量热器开展单粒子事件探测的研究方向[7]。年掺杂锗半导体的温度传感器作为红外微量热器开创了低温量热器在天文观测中的应用[8]。年宇宙微波背景辐射(CMB)的发现，使量热器成为CMB、太赫兹辐射研究方向强有力的探测器。20世纪80年代后，低温量热器逐渐引起人们更多的
