白娘子千年等一回，物理學家：“十萬億億億年我們也等”

你聽過的最長時間有多長？人類誕生至今幾百萬年，不過是彈指之間，遠不及恐龍主宰地球2億年；而地球存在的46億年，也只是138億年宇宙史中的一段插曲......然而，有一種原子核衰變卻被認為能跨越宇宙長河，十萬億億億年才能發生一次，比宇宙的年齡還長了億億倍！

這種核衰變被稱為“無中微子雙β衰變”，它如此稀有，引得世界各國的物理學家為之魂牽夢縈，絞盡腦汁積極尋找。它的背后究竟隱藏了哪些奧秘？物理學家們可能找到嗎？

圖 目前科學家認為無中微子雙β衰變約十萬億億億年才能發生一次 圖| 廖紫倩

最鬼魅的粒子

我們所處的物質世界由一系列的基本粒子組成。在這些粒子中，中微子被認為是一種特殊的存在，它無所不在，卻與普通物質相互作用極其微弱，來無影去無蹤，被人們稱為“幽靈粒子”。

中微子的發現源于科學家們對原子核的β衰變過程的研究。β衰變是自然界中一類常見的衰變現象，比如原子核中的一個中子通過β衰變變為質子。

根據能量守恒定律，能量不會憑空產生，也不會憑空消失。20世紀初，人們在研究β衰變時，卻發現了一種奇怪的現象：經過測量，β衰變放出的電子能量在一定范圍內，各種大小都有可能，這意味著有一部分能量居然“憑空消失”了。

著名奧地利物理學家泡利（W. Pauli）對此給出了一個可能的解釋。1930年12月，在德國圖賓根市舉行的一個物理大會上，泡利讓朋友宣讀了一封信。在信中，泡利大膽地提出假設：可能存在一個電中性、質量極小的新粒子伴隨著β衰變的電子產生。

圖 奧地利物理學家泡利 圖源| neutrino-wiki

1934年，費米（E. Fermi）將這種可能存在的中性粒子取名為“中微子”（Neutrino），意大利語意為“中性的微小粒子”。

神秘的中微子十分難被探測到，直到1956年，美國物理學家科溫（C. Cowan）和萊因斯（F. Reines）等人才用實驗證實了中微子的存在。他們也因此獲得了1995年的諾貝爾物理學獎【1】。

雖然中微子概念的提出較早，其成為研究熱點其實是在粒子物理的標準模型建立以后。自上世紀60年代誕生至今，標準模型理論經過不斷完善，成功經歷了半個多世紀的實驗檢驗。在標準模型中，中微子質量要求嚴格為零。

圖 基本粒子卡通圖。標準模型中構成物質世界的基本粒子有6種夸克和6種輕子，同時還包括傳遞作用力的粒子——傳遞電磁力的光子、傳遞強核力的膠子、弱核力的W和Z玻色子，以及與粒子質量來源相關的希格斯玻色子。標準模型描述了組成所有物質的基本粒子以及粒子間的電磁、強、弱相互作用。這三種基本相互作用外加引力相互作用是自然界中四大基本相互作用。圖源| European Organization for Nuclear Research

1998年，日本超級神岡實驗發現中微子振蕩，以堅實的證據顯示中微子會“川劇變臉”——它可以在飛行過程中從一種類型轉變成另一種類型。而這種變化只有在中微子具有非零靜止質量時才會發生。

中微子振蕩的發現引起了科學界的極大震動。它的發現表明中微子質量不為零，這是目前唯一有堅實實驗證據的超出標準模型的現象。因中微子振蕩的發現，日本物理學家梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大物理學家麥克唐納（Arthur McDonald）分享了2015年諾貝爾物理學獎。

中微子是目前人類已發現的唯一性質超出粒子物理標準模型的粒子，它的研究被認為是一個粒子物理新時代的突破口。雖然關于中微子的研究迄今已斬獲4項諾貝爾獎，但物理學家對它的認知仍十分有限，還有一系列基本問題有待解答。比如，中微子是否是自己的反粒子？

最重要的科學問題之一

1937 年，意大利天才物理學家馬約拉納(E. Majorana) 因為不滿于狄拉克方程中電子與正電子之間的非對稱關系，提出了馬約拉納費米子這一新概念。

自然界中任何由奇數個夸克或輕子組成的粒子都可稱為費米子。正反粒子不同的費米子通常定義為狄拉克費米子。不同于狄拉克粒子，馬約拉納粒子的特點在于反粒子就是其自身。馬約拉納指出電中性的中微子可能就是這種粒子。

在提出馬約拉納粒子后不久，1938年3月，年僅32歲的馬約拉納在意大利西西里島神秘失蹤。他的失蹤成了物理學史上難解的謎團。

圖 馬約拉納 圖源| physicsworld

而馬約拉納的失蹤也留下了中微子的身份懸念。中微子是不是自己的反粒子？這是物理學中一個非常基本而且重要的問題。1939年，哈佛大學教授弗瑞(W. Furry)提出可以通過尋找無中微子雙貝塔衰變（0vββ）這樣一種衰變模式來對中微子的本質做出判斷【2】。

雙貝塔衰變典型的過程是原子核內兩個中子同時衰變為兩個質子，且放出兩個電子，同時伴隨一對電子反中微子發出的過程。經過了半個世紀的搜索，這一過程于1987年得到實驗證實【3】。

無中微子雙貝塔衰變則是衰變產物僅包含兩個電子而沒有中微子的過程。這種反應只有中微子是自身的反粒子（即中微子是馬約拉納粒子)且有非零質量的情況下才可能發生。

圖 原子核的雙中微子雙貝塔衰變（左圖）與無中微子雙貝塔衰變（右圖）

因此，除了驗證中微子是否是其自身反粒子外，通過尋找0vββ并測量其半衰期，我們能夠對中微子的馬約拉納有效質量（mββ）施加約束，間接限定中微子的絕對質量【4】。

此外，隨著宇宙學研究的不斷深入，科學家們還發現中微子與宇宙正反物質不對稱的起源有著密切關系。現有的物理學知識認為，宇宙大爆炸最初不僅產生了物質也產生了反物質，兩者應當各占一半。而目前天文觀測結果顯示，宇宙基本上由物質構成，反物質無跡可尋。是什么原因造成了反物質世界的消失，而留下了我們所見的物質世界？

圖 宇宙中的物質-反物質不對稱 圖源| Symmetry Magazine，Sandbox Studio, Chicago

0vββ的發現，可以確認存在輕子數不守恒的過程，為宇宙誕生初期物質和反物質的不對稱起源提供重要的條件，回答為什么宇宙中的正物質比反物質多這一涉及宇宙起源和演化的根本問題。

簡單來說，如果觀測到0vββ，則意味著中微子是其自身的反粒子，將為我們打開新物理世界的大門。物理學家傾向于相信中微子確實是馬約拉納粒子，因為這樣很多困擾我們的謎團都能得以輕松解釋。

物理學家的極限挑戰

新物理往往隱藏于極其稀有的事件之中。由于科學意義重大，自上世紀80年代以來，隨著探測器技術的不斷發展，實驗尋找0vββ逐漸成為粒子物理與核物理領域最熱門的研究方向之一。

通俗地說，實驗探測0vββ，就是把包含能夠發生雙β衰變的核素材料做成探測器，依靠“守株待兔”的方法，靜待稀有衰變事件的發生。

然而，這類實驗對于物理學家可以說是極限挑戰。首先要挑戰的就是史上最長的衰變時間。理論預言，對于已知雙貝塔衰變核素，0vββ約十萬億億億年（1029）才能發生一次。科學家們當然不會傻等，他們巧妙地利用連接宏觀與微觀世界的阿伏伽德羅常數（6.02×1023）,使用幾噸甚至幾十、幾百噸ββ衰變核素，幸運的話，也許在幾年時間內能觀測到0vββ衰變。

其次，科學家還要面臨各種來自環境的放射性本底的巨大影響，尤其是地表宇宙線，對探測器的干擾極大。因此0vββ實驗通常在深地實驗室開展，通過巖石屏蔽，極大地減小宇宙線本底干擾。

人類如此渺小，可探知世界的好奇心又是如此強烈。盡管面臨萬般艱難，科學家們始終鍥而不舍，相當規模的實驗正在多國開展，希望一步步將“不可能”變為可能。

目前，美國、意大利、日本等國家的地下實驗室都有相關實驗裝置正在運行，有多種探測技術被用來尋找0vββ。這些實驗大都處于百公斤級探測器階段。目前為止，這些實驗給出的0vββ半衰期下限為1025-1026年【5-8】。

我國科學家也八仙過海，各顯神通，正在積極推動多種不同技術方案的0vββ實驗，包括基于高純鍺探測器的CDEX實驗，基于液氙時間投影室的 PandaX-4T，基于氣氙時間投影室的PandaX-III實驗，基于高壓82SeF6氣體時間投影室的NνDEx實驗，基于晶體量熱器的CUPID-CJPL實驗以及基于大型液閃探測器的JUNO-0νββ實驗【9-13】。

我國的錦屏深地實驗室是世界上最深的地下實驗室，2400米的深度提供了超低宇宙線本底環境，為無中微子雙貝塔衰變實驗創造了極佳的條件。在不久的將來，多種實驗技術方案都計劃建設噸級探測器，預期能夠將多種核素0vββ半衰期測量靈敏度提高到1027年以上，為徹底揭示中微子馬約拉納屬性研究帶來希望。

結語

美國《科學》雜志在創刊125周年之際提出了125個重大科學前沿問題，“中微子是否是其自身的反粒子”赫然在列。如果能在實驗上發現馬約拉納粒子，將為人類了解大自然的終極奧秘打開大門。

中微子雙貝塔衰變實驗是粒子物理最有希望在將來一段時間取得突破性進展的方向之一。相信不久的未來，我們能越來越接近中微子屬性的真相。中微子質量、正反物質對稱性及宇宙起源等基礎前沿問題都有望獲得改寫教科書的答案。

接下來會有哪些激動人心的科學發現呢？讓我們拭目以待。

致謝：感謝中國科學院近代物理研究所房棟梁研究員、仇浩研究員閱讀本文并提供寶貴意見和建議。

（作者馬龍系復旦大學青年研究員）

作者| 馬龍 劉芳

封面圖| 廖紫倩

審核| 梁羽鐵

【1】F. Reines, C.L. Cowan et al, Detection of the Free Antineutrino, Phys. Rev. 117, 159(1960)

【2】W. H. Furry. On Transition Probabilities in Double Beta-Disintegration, Phys. Rev., 56(12) 1184-1193(1939)

【3】S. R. Elliott, A. A. Hahn, and M. K. Moe, Direct Evidence for Two-Neutrino Double-Beta Decay in Se-82, Phys. Rev. Lett. 59, 2020 (1987)

【4】S. M. Bilenky and C. Giunti. Neutrinoless Double-Beta Decay: A Brief Review, Modern Physics Letters A, 27(13):1230015 (2012)

【5】M. Agostini, et al. (GERDA Collaboration), Final Results of GERDA on the Search for Neutrinoless Double-Decay, Phys. Rev. Lett. 125, 252502 (2020)

【6】A. Gando, et al. (KamLAND-Zen Collaboration), Search for Majorana Neutrinos Near the Inverted Mass Hierarchy Region with KamLAND-Zen, Phy. Rev. Lett. 117, 082503 (2016)

【7】 M. Auger, et al. (EXO Collaboration), Search for Neutrinoless Double-Beta Decay in 136Xe with EXO-200,Phy. Rev. Lett. 109, 032505 (2012)

【8】D. Q. Adams, et al. (CUORE Collaboration), Search for Majorana neutrinos exploiting millikelvin cryogenics with CUORE, Nature 604, 53-58 (2022)

【9】B.T. Zhang, J.Z. Wang, L.T. Yang, et al. Searching for 76Ge neutrinoless double beta decay with the CDEX-1B experiment. Chinese Phys. C 48,103001 (2024)

【10】S. Zhang, Z.H. Bao, W. Chen, et al, Searching for neutrinoless double-beta decay of 136Xe with PandaX-4T. Science Bulletin 70(11) :1779-1785 (2025)

【11】Chen, X., Fu, C., Galan, J. et al. PandaX-III: Searching for neutrinoless double beta decay with high pressure 136Xe gas time projection chambers. Sci. China Phys. Mech. Astron. 60, 061011 (2017)

【12】Cao, XG., Chang, YL., Chen, K. et al. NνDEx-100 conceptual design report. NUCL SCI TECH 35, 3 (2024)

【13】曹嘉璇等，錦屏無中微子雙貝塔衰變低溫晶體量熱器實驗， 2025年, 第55卷, 第11期, 111009

本文轉載自《中國科學院近代物理研究所》微信公眾號

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