[论文解读] Neutrinoless Double Beta Decay

F. Bellini, Alfonso, K.+230 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2022

Neutrino Physics Research被引用 6

一句话总结

本文综述了无中微子双贝塔衰变（0νββ）实验的当前状况与未来前景，重点关注多种技术与同位素，如⁷⁶Ge、⁸²Se、¹⁰⁰Mo、¹³⁶Xe 和 ¹³⁰Te。文章强调了关键实验进展，包括 LEGEND、CUPID、SuperNEMO、nEXO 和 LZ，并报告了能量分辨率、本底抑制及探测器研发方面的进展，目前已有多个实验进入运行或建设阶段。

ABSTRACT

This White Paper, prepared for the Fundamental Symmetries, Neutrons, and Neutrinos Town Meeting related to the 2023 Nuclear Physics Long Range Plan, makes the case for double beta decay as a critical component of the future nuclear physics program. The major experimental collaborations and many theorists have endorsed this white paper.

研究动机与目标

• 提供对正在开展及计划中的无中微子双贝塔衰变（0νββ）实验的全面概述。
• 评估使用不同同位素与探测技术的主流 0νββ 实验的性能、状态与技术进展。
• 评估该领域在能量分辨率、本底抑制与探测器技术方面的进展。
• 识别未来 0νββ 实验的关键挑战与有前景的发展路径。
• 总结当前实验格局及其对确定中微子的马约拉纳性质与测量有效马约拉纳中微子质量的意义。

提出的方法

• 系统性地整理和汇编来自 30 多个 0νββ 实验的实验数据，包括探测器类型、同位素、质量与状态。
• 分析能量分辨率的改进，例如通过探测器升级，预计在 KamLAND2-Zen 中实现 2 倍的分辨率提升。
• 评估本底抑制技术，包括¹⁰C 标记与材料纯化，报告本底降低一个数量级。
• 评估新型探测器技术，包括闪烁体热电堆（CUPID）、高纯锗探测器（LEGEND）以及液态氙时间投影室（LZ、XENONnT）。
• 整合研发成果，如晶体生产（CUPID）、传感器集成（LMO 晶体）以及新探测方法（气体 TPC、液态闪烁体）。
• 采用标准化报告方式，列出探测器质量、同位素、技术与实验状态，以支持跨实验比较。

Figure 1: Discovery sensitivities of current- and next-generation $0\nu\beta\beta$ -decay experiments for various mechanisms of lepton number violation, dominated by effective operators of dimension 5 (top panel), i.e., light neutrino exchange, and of dimension 7 (lower left panel) and dimension 9 (

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同同位素与技术下，0νββ 衰变的当前实验灵敏度与预期发现潜力如何？
• RQ2 近期升级如何提升了主流 0νββ 实验的能量分辨率与本底抑制能力？
• RQ3 在开发下一代 0νββ 探测器（如 CUPID 与 LEGEND-1000）方面，面临的关键技术挑战与进展是什么？
• RQ4 暗物质实验（如 LZ、XENONnT）在利用富集氙方面，能在多大程度上贡献于 0νββ 搜索？
• RQ5 在未来十年内，下一代实验实现发现 0νββ 衰变的可能性如何？

主要发现

• LEGEND-200 实验目前正处于调试阶段，配备 200 kg 的⁷⁶Ge 探测器，目标是实现对有效马约拉纳中微子质量的 100 meV 灵敏度。
• CUPID-0 已成功证明掺锂钼酸盐闪烁体热电堆的可行性，原型使用了 4 kg 的¹⁰⁰Mo。
• KamLAND-Zen-800 实现了 10⁻⁴ 事件/keV/kg/年的本底抑制水平，¹⁰C 标记使本底降低一个数量级。
• CUPID 利益相关小组已识别出高纯度晶体的可行供应商，为大规模部署铺平道路。
• KamLAND2-Zen 升级预计可使能量分辨率提高两倍，从而增强对 0νββ 衰变的灵敏度。
• 多个实验，包括 nEXO、NEXT-100 与 DARWIN，正在提议建造吨级探测器，对有效马约拉纳质量的灵敏度可低于 50 meV。

Figure 2: Nuclear matrix elements ( $M_{0\nu}$ ) for the $0\nu\beta\beta$ decay ${}^{48}\mathrm{Ca}\rightarrow^{48}\mathrm{Ti}$ . Blue symbols are results from a variety of many-body methods with empirical or semi-empirical tailored interactions, as well as a mixture of schemes for treating short-ra