[论文解读] Neutrinoless double beta decay and direct searches for neutrino mass

C.E. Aalseth, Henning Back+25 more|ArXiv.org|Dec 21, 2004

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用 49

一句话总结

本文倡导开展一项重大的实验计划，以搜寻无中微子双贝塔衰变（0νββ）和通过氚贝塔衰变直接测量中微子质量，认为这是确定中微子是否为马约拉纳粒子以及测量绝对中微子质量尺度的唯一可行方法。文章建议分阶段推进：3–5年内开展200–500公斤级实验，5–10年内开展1吨级实验，并推动多种新型探测技术的研发，强调美国应积极参与，并由能源部（DOE）与国家科学基金会（NSF）协调资助。

ABSTRACT

Study of the neutrinoless double beta decay and searches for the manifestation of the neutrino mass in ordinary beta decay are the main sources of information about the absolute neutrino mass scale, and the only practical source of information about the charge conjugation properties of the neutrinos. Thus, these studies have a unique role in the plans for better understanding of the whole fast expanding field of neutrino physics.

研究动机与目标

• 通过搜寻无中微子双贝塔衰变（0νββ）来确定中微子是否为其自身反粒子，该现象将意味着轻子数不守恒并表明中微子具有马约拉纳性质。
• 通过0νββ衰变和氚贝塔衰变实验测量绝对中微子质量尺度，因为这些是目前唯一实际可行的测量方法。
• 指导美国资金与实验开发，推动大规模、高灵敏度的实验，采用多种同素和探测技术，以减少核矩阵元的不确定性。
• 支持开发1吨级0νββ实验，使其对大气中微子质量尺度敏感，并通过协调资助与合作确保美国在该领域的领导地位。

提出的方法

• 提出多阶段实验策略：在3–5年内实现200–500公斤级实验，以探测近简并中微子质量区（约100–500 meV）。
• 倡导开展1吨级实验，以探测大气中微子质量尺度（约20–55 meV），需投入大量研发与基础设施建设。
• 支持多样化研发计划，开发新型探测技术并探索更多同素，以减少对单一核矩阵元计算的依赖。
• 建议在能源部高能物理与核物理部门及国家科学基金会之间建立协调资助机制，以评估并支持多个大规模0νββ提案。
• 强调在多种同素（如76Ge、130Te、136Xe）中测量0νββ的重要性，以交叉验证结果并减少核不确定性。
• 强调KATRIN实验作为关键互补手段，其设计灵敏度约为~200 meV，可通过氚贝塔衰变探测近简并质量区。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否观测到无中微子双贝塔衰变？其发现对中微子本质意味着什么？
• RQ2 中微子质量的绝对尺度是多少？如何通过0νββ和氚贝塔衰变测量？
• RQ3 如何在0νββ衰变速率的解释中减少核矩阵元带来的实验不确定性？
• RQ4 实现0νββ搜寻最高灵敏度的最优实验策略是什么？包括规模、同素选择与探测技术？
• RQ5 美国资金与合作应如何组织，以支持多个大规模0νββ实验并确保科学领导地位？

主要发现

• 若观测到无中微子双贝塔衰变，将证明中微子是马约拉纳粒子，即其自身即为反粒子，并确立中微子具有非零质量。
• 200–500公斤级实验在3–5年内可行，可探测近简并中微子质量区，对有效马约拉纳质量⟨mββ⟩的灵敏度约为~100–500 meV。
• 1吨级实验是探测大气中微子质量尺度（约20–55 meV）的必要条件，应作为现有200公斤级实验的扩展来开发。
• KATRIN实验（设计灵敏度~200 meV）对直接中微子质量测量至关重要，应给予强有力支持。
• 采用不同同素与探测技术的多个实验对减少核矩阵元不确定性、确认潜在0νββ信号至关重要。
• 必须通过能源部与国家科学基金会协调的美国资助机制，以评估并支持多个大规模0νββ提案，预计200–500公斤实验成本为1000万至2000万美元，1吨实验成本为5000万至1亿美元。