近日，復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所馬余剛院士團(tuán)隊(duì)參與的國(guó)際低溫晶體量熱器無(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)（CUORE：Cryogenic Underground Observatory for Rare Events）取得重要進(jìn)展，給出了¹³⁰Te核素?zé)o中微子雙貝塔衰變半衰期迄今最嚴(yán)格限制T^0v_1/2> 3.5×10²⁵年 (90%置信度), 成果發(fā)表于Science雜志。

CUORE實(shí)驗(yàn)位于意大利中部格蘭薩索國(guó)家地下實(shí)驗(yàn)室（LNGS），實(shí)驗(yàn)室隸屬于意大利國(guó)家核物理研究院，是世界上規(guī)模最大的地下實(shí)驗(yàn)室之一。CUORE通過(guò)測(cè)量晶體中極其微小的溫度漲落，尋找尚未發(fā)現(xiàn)的“無(wú)中微子雙貝塔衰變”稀有物理過(guò)程。這一過(guò)程一旦被證實(shí)，將表明中微子是自身的反粒子，有望為“宇宙中的正物質(zhì)遠(yuǎn)比反物質(zhì)多”這一涉及人類(lèi)存在根源的重大謎題提供關(guān)鍵線(xiàn)索。

CUORE核心探測(cè)器由19個(gè)晶體陣列988塊極高純度的TeO_?晶體組成，總重741公斤。合作組設(shè)計(jì)建造了當(dāng)前世界上最大的低溫恒溫器，將近1立方米的空間體積內(nèi)的TeO_?晶體冷卻到接近絕對(duì)零度（<10mK），形成一個(gè)具有極高靈敏度的稀有事件量熱探測(cè)器。本次CUORE發(fā)布的最新結(jié)果基于近5年穩(wěn)定數(shù)據(jù)采集期間獲得的2噸·年（1噸晶體測(cè)量1年）曝光量數(shù)據(jù)，是迄今發(fā)布的最大規(guī)模數(shù)據(jù)集，實(shí)驗(yàn)同時(shí)采用新算法有效抑制環(huán)境與設(shè)備振動(dòng)等背景噪聲，取得130Te核素?zé)o中微子雙貝塔衰變半衰期迄今最嚴(yán)格限制T^0v_1/2> 3.5×10²⁵ yr (90% C.I.)，對(duì)應(yīng)有效馬約拉納中微子質(zhì)量m_ββ<70-250 meV，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

圖1：（a）CUORE實(shí)驗(yàn)的低溫恒溫器示意圖（b）由19座晶體塔陣列組成的探測(cè)器（每座塔陣列由52 塊立方體晶體量熱器單元構(gòu)成）。圖片來(lái)源：CUORE 合作組

復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所馬余剛院士團(tuán)隊(duì)在此次發(fā)布的成果中做出了重要貢獻(xiàn)。CUORE合作組由來(lái)自意大利、美國(guó)、中國(guó)、西班牙、法國(guó)等國(guó)家的100多位科學(xué)家組成。馬余剛院士團(tuán)隊(duì)早在2006年就加入CUORE合作組，是國(guó)內(nèi)最早加入CUORE合作組的團(tuán)隊(duì)，承擔(dān)了早期樣機(jī)實(shí)驗(yàn)探測(cè)器材料高精度放射性本底檢測(cè)，隨后參與了CUORE-0、CUORE實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試等工作，并參與后續(xù)十余年探測(cè)器運(yùn)行取數(shù)工作，為CUORE當(dāng)前大體量實(shí)驗(yàn)取得世界領(lǐng)先成果建立重要基礎(chǔ)。核科學(xué)與技術(shù)系2024屆畢業(yè)生符士洪博士（馬龍青年研究員協(xié)助導(dǎo)）作為主要貢獻(xiàn)人直接參與了本次成果數(shù)據(jù)分析工作，同時(shí)在降噪技術(shù)研發(fā)和延時(shí)符合本底測(cè)量方面做出了重要貢獻(xiàn)。

圖2：CUPID-China合作組2024年會(huì)合影（攝于復(fù)旦大學(xué)江灣校區(qū)）

當(dāng)前，復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理所正積極推動(dòng)CUORE的升級(jí)版CUPID (CUORE Upgrade with Particle Identification)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研發(fā)，依托中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室“十三五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由復(fù)旦大學(xué)牽頭, 聯(lián)合清華大學(xué)、北京師范大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)等多家單位合作成立了CUPID-China合作組，共同發(fā)展基于 100Mo同位素的新一代低溫晶體量熱器實(shí)驗(yàn)技術(shù)，利用國(guó)內(nèi)在晶體生長(zhǎng)技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，采用新一代的光-熱雙讀出技術(shù)，開(kāi)展鉬基閃爍晶體探測(cè)器研發(fā)，預(yù)期靈敏度比CUORE大幅提升。實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)將對(duì)我國(guó)在中微子的基本屬性、正反物質(zhì)對(duì)稱(chēng)性及宇宙起源等基礎(chǔ)前沿研究領(lǐng)域的發(fā)展起到重要促進(jìn)作用。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp647