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我院教师王少博参与的基于PandaX-4T实验的马约拉纳中微子搜寻取得国际领先结果

04.28/2024 198

近日,由上海交通大学牵头的PandaX实验合作组在马约拉纳中微子实验研究方面取得重要进展。相关成果以“Searching for Two-Neutrino and Neutrinoless Double Beta Decay of Xe-134 with the PandaX-4T Experiment”为题、 以上海交通大学为第一单位发表在《物理评论快报》(PHYSICAL REVIEW LETTERS, PRL)上,这是我国首次在PRL发表该领域国际领先的实验结果。

 

上海交通大学巴黎卓越工程师学院王少博副教授和物理与天文学院韩柯教授带领小组完成了该分析。中山大学博士生颜玺雨为文章第一作者,韩柯教授为文章共同通讯作者,王少博副教授为文章共同通讯作者和投稿人。

 

 研究背景 

1937年,意大利物理学家马约拉纳提出中微子可能是它自己的反粒子,也就是所谓的马约拉纳中微子理论。两年后,美国人福瑞提出了验证这个理论的实验方法:有些原子核会发生一种罕见的双贝塔衰变(即两个中子同时衰变),如果该过程中没有放出中微子,即无中微子双贝塔衰变,就可以证明马约拉纳中微子的存在。马约拉纳中微子是回答轻子数是否守恒、宇宙正反物质不对称性的起源等重大问题的关键。在中国锦屏地下实验室二期B2实验厅的PandaX-4T探测器,通过搜寻自然氙中的氙-134,氙-136等核素的无中微子双贝塔衰变,为这类研究提供了独特的平台和机遇。

氙-134双贝塔衰变示意图

 

 

 创新成果 

氙-134在自然氙中的丰度为10.4%,其双贝塔衰变过程尽管被理论预言,但尚未被实验探测到。PandaX-4T实验在搜寻氙-134双贝塔衰变过程上优势显著。探测器灵敏体积内有四吨自然氙,即约400公斤氙-134核素,相较于国际上EXO和KamLAND-Zen等采用富集氙136的实验,来自于氙136的干扰更低,同时探测器兼具低能量阈值和自屏蔽的优势。

 

合作组利用PandaX-4T实验的首批数据,对氙-134双贝塔衰变和无中微子双贝塔衰变过程的半衰期给出了最强的限制,分别是大于2.8×1022年和3.0×1023年(90%置信度),此结果相比国际之前最好水平,将氙-134双中微子双贝塔衰变和无中微子双贝塔衰变半衰期分别提升32倍和2.7倍。该结果展现了PandaX液氙探测器在中微子物理方向巨大的物理潜力。

氙-134双中微子双贝塔衰变和无中微子双贝塔衰变搜寻能谱拟合图,能量区间为200-1000keV。

 

(左图)氙-134双中微子双贝塔衰变实验结果对比图;(右图)氙-134无中微子双贝塔衰变实验结果对比图。

 

 

 研究团队 

PandaX合作组由上海交通大学发起并主导,目前合作组发言人为李政道研究所和物理与天文学院的刘江来教授。PandaX 实验的合作单位包括山东大学、北京大学、中国科学技术大学、中山大学、北京航空航天大学、南开大学、复旦大学以及雅砻江流域水电开发有限公司等。本研究工作得到了锦屏地下实验室的大力协助。PandaX实验得到教育部、上海交通大学、以及合作组单位的长期支持,自然科学基金委、科技部、上海市、四川省、香港鸿文基金会、新基石科学基金会和阳阳发展基金都对本项目有重要资助。

 

文章链接:

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.152502