美國能源部 (DOE) 的核物理計劃正在實施一項國際戰略，以資助三噸級實驗——CUPID、nEXO 和 LEGEND-1000——這些實驗的靈敏度足以搜索無中子雙β衰變(0νβ)的證據。Wright 實驗室的研究人員，包括耶魯大學物理學教授 Karsten Heeger 和 Reina Maruyama，以及助理教授 David Moore，參與領導和建立三個實驗中的兩個，這些實驗將定義 0νββ 努力的未來——CUPID(Heeger 和 Maruyama)和 nEXO。

用無中子的雙β衰變尋找新物理學

被廣泛接受的粒子物理學“標準模型”在物質和反物質之間具有對稱性——每當物質粒子在實驗室中被創造出來時，也會有同等數量的反物質粒子被創造。然而，觀察表明，宇宙是由物質而非反物質構成的，因此早期宇宙中的某些過程肯定違反了這種對稱性。中微子是一種神秘的、幽靈般的粒子，它可以穿過宇宙中的大多數物質而沒有受到影響，但仍然具有質量，它可能是這個謎團的核心。

萊特實驗室的研究人員正在領導和建立各種實驗，以了解更多關于中微子的信息。其中，CUPID 和 nEXO 正在專門尋找無中微子的雙β衰變，這是一個尚未被觀測到的核過程，將表明超越粒子物理學標準模型的新物理學。

檢測無中微子雙β衰變將揭示中微子是否是它自己的反粒子，并證明中微子是所謂的majorana粒子。這將對理解中微子的性質、中微子如何獲得它們的質量以及在早期宇宙中如何產生超過反物質的少量物質產生影響。

Heeger 說：“對無中微子的雙β衰變的觀察將是一個明確的跡象，表明中微子是它們自己的反粒子，并表明超出標準模型的新物理學”。

如果中微子被發現是一個majorana 粒子，標準模型的輕子數守恒原理將被違反，并且可以解釋宇宙中觀察到的物質/反物質不對稱性。

“發現任何打破粒子相互作用對稱性的東西是令人興奮的。”

下一代雙β衰變實驗

美國能源部倡議中的三個實驗中的每一個都通過研究從一種元素到另一種元素的衰變來尋找無中微子雙β衰變，但每個實驗都在研究不同的同位素：CUPID利用鉬(Mo-100)，nEXO利用氙(Xe- 136)，LEGEND-1000 使用鍺 (Ge-76)。CUPID 的前身，稱為CUORE，正在碲 (Te-130) 中尋找 0νββ。

Moore說：“自2015 年核科學咨詢委員會 (NSAC) 報告以來，能源部一直很支持采用多同位素方法，用不同的探測器技術和不同的同位素搜索無中子的雙β衰變"。他繼續說道，“尋找半衰期衰減很困難，并且通過多種方式尋找可以降低風險。如果我們確實在不同的探測器中看到它，我們可以更確定我們看到的是我們正在尋找的信號，即使我們在 10 年內只看到幾個候選衰變。”

CUORE 升級與粒子識別 (CUPID)

CUPID 是對稀有事件低溫地下實驗室 (CUORE) 的升級，這是最大的操作輻射熱實驗，位于意大利阿塞爾吉的格蘭薩索國家實驗室 (LNGS)。

CUPID 利用了 CUORE 多年來在 LNGS 建立的基礎設施和低溫恒溫器，以及 CUORE 的探測器技術，該技術已顯示出搜索無中微子雙β衰變的出色能力。最初的 CUORE 實驗檢測核衰變或粒子相互作用產生的能量沉積產生的熱量(聲子)。CUPID 將通過使用閃爍晶體來升級 CUORE 的輻射熱探測器，以便 CUPID 可以額外探測光(光子)和熱。這一新增功能將提高CUPID對非常罕見的信號的背景判別能力。

CUPID 的輻射熱計技術還可以靈活地研究多種不同的同位素。CUORE 實驗使用碲，CUPID 將使用鉬，但如果其他人對尋找無中微子雙β衰變感興趣，則可以使用相同的技術和基礎設施來觀察其他同位素。

萊特實驗室的 CUPID

Maruyama 于 2004 年加入 CUORE，Heeger 于 2006 年加入。Wright Lab 團隊負責 CUORE 探測器校準系統的設計、建造和調試;CUORE數據的分析和模擬;和合作的領導。他們在 CUPID 中的努力建立在與 CUORE 多年的經驗之上。目前，Heeger 和 Maruyama 是首席研究員，Heeger 是 CUPID 的科學聯合發言人。

Maruyama 與伯克利和麻省理工學院的合作者一起負責協調開發熱探測器的工作，稱為中子嬗變摻雜 (NTD) 熱敏電阻，用于讀出輻射熱計。NTD熱敏電阻是通過將鍺晶片用于核反應堆制成的。反應堆中產生的中子激發鍺同位素并將其轉化為鎵和砷。由此產生的摻有鎵和砷的鍺可用于將芯片變成半導體，該半導體可以檢測 CUPID 探測器晶體中產生的振動/聲子的數量，并測量晶體溫度的變化，即實驗正在尋找的主要信號。

萊特實驗室的研究生 Ridge Liu 正在研究 NTD 熱敏電阻，并正在研究振動數據以表征熱敏電阻的性能，并確保實驗具有最佳的能量分辨率。

Wright Lab 還在為 CUPID 構建μ子否決系統，并負責探測器的校準以及聲學和振動監測。宇宙射線誘導的 μ 子被地下實驗室周圍的山脈所屏蔽，但有些確實可以通過。當他們這樣做時，他們可以儲存可能與無中微子雙β衰變事件混淆的能量。在主探測器周圍放置了一層額外的μ子標記，以進一步減少這種背景。

研究生 Samantha Pagan 和 Iris Ponce 都在從事 μ 子標記器的研發 (R&D)。Pagan 正在開發嵌有移頻光纖的物理塑料閃爍體面板，而 Ponce 正在研究數據采集系統和光收集模擬。

參與 CUPID 的 Heeger-Maruyama 實驗室的其他成員是研究科學家 James Nikkel;副研究員 Tom Langford 和 Penny Slocum;研究支持專家 James Wilhelmi;和博士后合伙人 Pranava Teja Surukuchi 和 Jorge Torres。

nEXO

nEXO將是一個大型探測器，在輻射純時間投影室 (TPC) 中使用 5 噸液態氙 (136Xe)，目前計劃安裝在安大略省薩德伯里的 SNOLAB 地下。它是 EXO-200 實驗的繼任者，該實驗是新墨西哥州卡爾斯巴德廢物分離試驗工廠 (WIPP) 的 200 公斤原型，證明了液態惰性氣體技術在尋找無中微子雙β衰變方面的潛在有效性，并為此過程設置了迄今為止最嚴格的一些限制。

由于 nEXO 的大尺寸和同質性，來自探測器外部的背景將無法到達其中心，其中極低的背景率將允許 nEXO 看到衰變的證據，即使它的半衰期長達 1028 年，使得探測器對無中微子的雙β衰變信號比 EXO 和其他現有實驗更敏感。

萊特實驗室的 nEXO

Moore 是 nEXO 光子探測器的子系統科學家，Wright 實驗室小組的主要職責是為 nEXO 的大型(4.5 平方米)超低背景硅光電倍增器光電傳感器構建光子探測器，該傳感器可感應氙氣發出的光. 萊特實驗室小組正在與布魯克海文國家實驗室的科學家密切合作，最終的光電探測器系統將在那里組裝和測試。

Moore 小組還對 nEXO 進行了模擬，并在 Wright 實驗室對大型液態氙探測器的新讀出技術進行了實驗室測試。博士后助理 Avinay Bhat 正在測試硅光電倍增管，而研究生 Ako Jamil 正在模擬光傳輸和能量。研究生 Sierra Wilde 和 Glenn Richardson 正在研究 nEXO 模擬中的光和電荷收集以及硅光電倍增管的測量以及液態氙中的電荷傳輸。