[论文解读] Report of the Topical Group on Neutrino Properties for Snowmass 2021

C. Giunti, J. Gruszko+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2022

Neutrino Physics Research被引用 5

一句话总结

该2021年Snowmass报告由中微子性质专题组撰写，概述了测量绝对中微子质量量级、确定中微子是否为马约拉纳费米子或狄拉克费米子，以及探测中微子新奇性质的现状与未来方向。报告倡导开展下一代实验——如Project 8（回旋辐射光谱学）、ECHo/HOLMES（采用163Ho的微热量计法）以及吨量级无中微子双贝塔衰变探测器——以实现亚-eV灵敏度并检验轻子数破坏，特别强调多种技术的互补性，以及对本底抑制和探测器可扩展性的研发。

ABSTRACT

Neutrinos are the most elusive among the known elementary particles, because of their feeble interactions with ordinary matter. They are also the most mysterious, because of their tiny masses that suggest a novel mass generating mechanism, their unknown Dirac or Majorana nature, and their big quantum mixing leading to large-amplitude flavor oscillations. This Topical Group focuses on neutrino properties that are not directly investigated in other Topical Groups of the Neutrino Frontier: in particular, the absolute value of the neutrino masses, the Dirac or Majorana nature of neutrinos, their electromagnetic properties, their lifetime, and hypothetical exotic properties.

研究动机与目标

• 通过氚贝塔衰变和163Ho电子俘获的直接运动学测量，确定绝对中微子质量量级。
• 通过寻找无中微子双贝塔衰变（0νββ）来确定中微子是否为马约拉纳或狄拉克费米子，这将意味着轻子数破坏。
• 通过精密实验探测中微子的奇异性质，如磁矩、电荷半径、电偶极矩，以及洛伦兹/CPT破坏。
• 确保实验室、天体物理和宇宙学探测手段之间的实验互补性，以解决中微子质量测定中的模型依赖性歧义。
• 推进下一代探测器的研发，实现每吨每年背景低于1次的水平，以实现对反常中微子质量顺序及更深层次的灵敏度。

提出的方法

• 采用回旋辐射发射光谱学（Project 8）对氚贝塔衰变中的电子能谱进行高能量分辨率测量。
• 利用高纯度163Ho源的微热量计技术（ECHo、HOLMES）探测电子俘获谱的端点区域，以提取中微子质量。
• 采用多种技术——液闪体、时间投影室、热释电计和固体探测器——构建吨量级、低本底的探测器，用于无中微子双贝塔衰变搜索。
• 应用先进的本底抑制技术，包括脉冲形状鉴别、脉冲幅度分析和多路复用读出系统。
• 改进氚和163Ho衰变谱的理论建模，以提高灵敏度并减少系统不确定性。
• 利用相干弹性中微子-核子散射（CEvNS）实验探测中微子的电磁性质，并检验标准模型的低能扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 中微子质量的绝对值是多少？直接实验室测量结果与宇宙学和振荡约束结果相比如何？
• RQ2 无中微子双贝塔衰变是否存在？若存在，它对中微子的马约拉纳性质和质量生成机制意味着什么？
• RQ3 未来实验能否实现对反常中微子质量顺序的灵敏探测，并通过足够的本底抑制技术探测正常质量顺序区域？
• RQ4 中微子的电磁性质是什么？能否通过磁矩或电荷半径的偏离来探测标准模型之外的效应？
• RQ5 洛伦兹和CPT破坏、等效原理破坏或不可见中微子衰变在精密中微子实验中如何表现？

主要发现

• KATRIN已设定当前最严格的直接有效电子中微子质量限制：在90%置信水平下，mβ < 0.8 eV。
• Project 8正在推进回旋辐射发射光谱学的发展，并开发原子氚源，以支持下一代氚实验。
• ECHo和HOLMES在163Ho制备和微热量计多路复用方面取得进展，ECHo已分析高统计量谱数据。
• 在能源部核物理办公室的管理下，吨量级下一代0νββ实验正在筹备中，目标灵敏度将超越Kamland-Zen的2.3×10^26年极限。
• 163Ho谱的理论建模正在不断优化，以解锁运动学中微子质量测量的更高灵敏度。
• 科学界已形成强烈共识：应同时推进回旋辐射光谱学和163Ho微热量计技术，以确保实验的冗余性和稳健性。