近日，上海交通大学牵头的PandaX实验合作组利用自然液氙探测器，对氙-134双贝塔衰变进行了国际最灵敏的搜寻。相比于已有最强限制，合作组将氙-134双中微子双贝塔衰变和无中微子双贝塔衰变的半衰期分别提升了32倍和2.7倍。研究结果近期在《物理评论快报》（PRL）上发表，这是我国在无中微子双贝塔衰变领域首次在PRL发表实验结果。
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
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），分别好于当前最好实验结果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。
上海交通大学物理与天文学院韩柯教授和王少博副教授（中法学院双聘）带领中山大学博士生颜玺雨等人组成的分析小组完成了该分析。
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
图文编辑：刘真
责任编辑：叶丹、朱敏
