[论文解读] Double Beta Decay APPEC Committee Report

A. Giuliani, J.J. Gómez-Cadenas+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 97被引用 14

一句话总结

本APPEC委员会报告概述了欧洲在无中微子双贝塔衰变（DBD0ν）研究中领导地位的战略路线图，倡导采用锗、量热计和氙基时间投影室（TPCs）等多种同素体、多技术实验计划，以探测轻子数违反并确定中微子的马约拉纳性质。其主要贡献在于协调一致的高灵敏度实验计划，目标是探测反序中微子质量序，并实现有效马约拉纳质量低于20 meV的灵敏度。

ABSTRACT

This report constitutes the roadmap document prepared by the Double Beta Decay APPEC Committee for the APPEC SAC on the future neutrinoless double beta decay experimental programme in Europe. It reviews the existing, planned and proposed technologies for neutrinoless double beta decay, their discovery potential and technical challenges, making a critical examination of resources and schedules. It also provides a concise discussion of the theoretical issues and of the status and uncertainties on the nuclear matrix element evaluation.

研究动机与目标

• 在欧洲粒子物理与天体粒子物理领域确立无中微子双贝塔衰变为首要研究前沿。
• 通过持续支持多样化实验技术，确保欧洲在全球轻子数违反搜索中保持领导地位。
• 通过推进多同素体、多技术计划并采用互补方法，降低风险并扩展发现潜力。
• 通过协调研发与基础设施建设，实现有效马约拉纳质量低于20 meV的发现。
• 加强理论与实验合作，以准确确定核矩阵元并解释未来实验结果。

提出的方法

• 评估现有、计划中及提议的DBD0ν技术，包括液氩中高纯锗二极管、闪烁与纯量热计，以及气态氙时间投影室。
• 基于预期的3σ灵敏度水平，评估不同同素体（100Mo、76Ge、136Xe）与技术的发现潜力。
• 分析理论影响，包括对中微子质量序（正常/反序）、马约拉纳CP相位以及惰性中微子贡献的依赖性。
• 比较流体嵌入式（如基于Xe的TPCs、液闪）与晶体嵌入式（如锗二极管、量热计）源构型的优劣。
• 整合欧洲地下实验室中对放射纯度与低本底仪器技术的开发。
• 协调研发工作，以实现有效马约拉纳质量参数低于1 meV的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何制定最优的多技术、多同素体策略，以最大化灵敏度并降低无中微子双贝塔衰变搜索的风险？
• RQ2 欧洲如何通过协调基础设施与合作，保持在全球DBD0ν计划中的领导地位？
• RQ3 若DBD0ν观测结果为正，其理论影响是什么，特别是关于中微子的马约拉纳性质及物质-反物质不对称性起源？
• RQ4 如何通过理论与实验的联合努力，减少核矩阵元的不确定性？
• RQ5 欧洲地下实验室需具备何种基础设施与放射纯度能力，才能支持下一代DBD0ν实验？

主要发现

• 无中微子双贝塔衰变搜索是探测轻子数违反最灵敏的手段，也是粒子物理学的首要优先研究领域。
• 欧洲在关键技术方面处于领先地位——包括锗二极管、量热计和氙TPCs，可实现高分辨率、低本底探测。
• CUPID、LEGEND-1000和NEXT-HD等项目预计可实现有效马约拉纳质量低于20 meV的3σ发现灵敏度，覆盖反序中微子质量序。
• 采用多同素体、多技术方法对降低实验风险、区分轻子数交换机制与新物理机制至关重要。
• 若最轻中微子质量超过10–20 meV，下一代实验将探索正常质量序区域，使物理探索范围超越当前极限。
• 欧洲地下实验室间协调研发、基础设施建设与放射纯度控制，是实现在竞争时间尺度内达到低于1 meV灵敏度的关键。