一種約束中微子質(zhì)量的方法是研究雙β衰變(2νββ)的核，其中兩個(gè)中子轉(zhuǎn)變成兩個(gè)質(zhì)子，發(fā)射兩個(gè)電子和兩個(gè)反中微子。但是，如果中微子是馬約拉納粒子(它的反粒子就是它本身)，那么2νββ衰變核有時(shí)會(huì)不發(fā)射中微子而衰變——0νββ衰變。大多數(shù)觀(guān)測(cè)這種衰變的工作都需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)電子的總能量并尋找反應(yīng)Q值的峰。這樣的峰意味著沒(méi)有能量被中微子帶走的事件。0νββ衰變極其罕見(jiàn)。實(shí)驗(yàn)必須滿(mǎn)足一些要求：大量的雙β衰變核、極低的本底、極好的能量分辨、高效率地探測(cè)兩個(gè)末態(tài)電子。為優(yōu)化這些特性，物理學(xué)家使用了多種同位素和探測(cè)器，包括冷卻到低溫的晶體、高壓氣體探測(cè)器和大型液體閃爍體。
KamLAND-Zen 實(shí)驗(yàn)的洋蔥形同心結(jié)構(gòu)裝置
在日本神崗的KamLAND-Zen實(shí)驗(yàn)使用載有136Xe同位素的大液體閃爍體尋找0νββ衰變，136Xe是發(fā)生雙β衰變的同位素。探測(cè)器具有洋蔥狀的結(jié)構(gòu)，如圖所示。一個(gè)球形的內(nèi)部液袋內(nèi)裝有13噸液體閃爍體，其中溶解有745 kg的Xe(大約含有91%的136Xe)。圍繞這個(gè)內(nèi)部的核心有3層同心殼，第1層包含液體閃爍體，第2層裝有1879個(gè)大的光電倍增管(PMTs)，第3層是水切連科夫探測(cè)器。液體閃爍體中的粒子(包括136Xe稀有衰變產(chǎn)生的粒子)相互作用發(fā)出的光由PMTs探測(cè)。根據(jù)這些信號(hào)，重構(gòu)每一事件的能量和位置，在Q值(2.48 MeV)附近的相對(duì)能量分辨為4.2%，空間不確定性為8.7 cm。
KamLAND-Zen團(tuán)隊(duì)分析了自2019年2月到2021年5月期間收集的數(shù)據(jù)，為確定是0νββ衰變需要6.2個(gè)事件(90%的置信水平)，而探測(cè)器的計(jì)數(shù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后沒(méi)有達(dá)到這一要求。結(jié)合該團(tuán)隊(duì)以前使用一半質(zhì)量的靶(381 kg濃縮的Xe)的結(jié)果，新的結(jié)果意味著半衰期的下限為2.3×1026年。如果假定主要通過(guò)交換輕的馬約拉納中微子發(fā)生衰變，那么半衰期的下限可轉(zhuǎn)換為有效的馬約拉納中微子質(zhì)量在36—156 meV范圍內(nèi)。最短的半衰期正好落在與反轉(zhuǎn)的中微子質(zhì)量順序相關(guān)的1026—1028年的范圍內(nèi)，KamLAND-Zen首次探測(cè)到這一情況，并部分否定了預(yù)言這一區(qū)域馬約拉納中微子質(zhì)量的理論模型。
該實(shí)驗(yàn)幾乎1噸年的曝光量在尋找0νββ衰變的領(lǐng)域中尚屬首次。它能量分辨的精度比晶體探測(cè)器差10倍，但所獲得的靈敏度證明了大量衰變同位素與低但非零本底結(jié)合的威力。神崗觀(guān)測(cè)站在地下深處，一部分本底來(lái)源于宇宙射線(xiàn)μ子在Xe中引起的反應(yīng)所產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命的散裂產(chǎn)物。這種本底可以用新的事件分類(lèi)法加以排除。
其他本底來(lái)自136Xe發(fā)生2νββ衰變譜的尾部，其效應(yīng)只能通過(guò)改進(jìn)能量分辨來(lái)減少。將分辨提高兩倍是未來(lái)KamLAND2-Zen探測(cè)器的主要目標(biāo)，探測(cè)器將使用具有更高光產(chǎn)額的液體閃爍體和高量子效率的光電倍增管。具有1噸136Xe的KamLAND2-Zen經(jīng)過(guò)5年的數(shù)據(jù)獲取應(yīng)達(dá)到20 meV的靈敏度。升級(jí)后可以覆蓋整個(gè)反轉(zhuǎn)順序區(qū)，此區(qū)域最小的有效質(zhì)量容許值是(18.4±1.3)meV。這個(gè)目標(biāo)與其他一些已計(jì)劃的項(xiàng)目一致，這些未來(lái)的實(shí)驗(yàn)，半衰期的靈敏度將達(dá)到約1028年，有極大的機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)0νββ衰變，并因此可以解開(kāi)圍繞中微子的某些謎團(tuán)。更重要的是，這樣的發(fā)現(xiàn)將證實(shí)自然界的一種基本對(duì)稱(chēng)性——輕子數(shù)守恒——是破缺的。這種破缺是試圖解釋我們宇宙中物質(zhì)—反物質(zhì)對(duì)稱(chēng)性模型中的重要元素。
