numen项目：核反应探索中毒性双β衰变的关键方面

粒子物理的标准模型可能代表了我们对宇宙基本组成部分的最先进的理解，但许多物理学家认为它是不完整的。更新该模型最诱人的前景之一是“无中微子双β衰变”——这个过程已经理论化了几十年，但还没有被观察到。卡塔尼亚大学的Francesco Cappuzzello教授和国家核物理研究所的Clementina Agodi博士是NUMEN项目的主要研究人员。代表着一个全球物理学家团队的努力，他们的最终目标是首次揭示无中微子双贝塔衰变的关键核方面。

衰变是亚原子物理学中最广为人知的过程之一。它发生在一个原子核是由特定安排的质子和中子,使其不稳定,导致释放一个β粒子(电子)从它的一个中子,把它变成一个质子,或一个anti-beta粒子(正电子)从它的一个质子,把它变成了一个中子。在一些非常罕见的情况下，可以发生双衰变，两个中子将同时转化为质子，反之亦然，释放两个正电子或两个电子。

在我们目前对粒子物理学的理解中，有一套被称为标准模型的规则，在每个过程中，有几个基本值需要保持不变，其中之一就是“轻子数”。轻子是一个基本粒子家族，包括正电子和电子，以及被称为中微子的无电荷和极其轻的粒子。由于电子是“物质”，正电子是“反物质”，标准模型规定，在贝塔衰变期间，它们必须分别与反中微子或中微子一起释放。

然而，另一种类型的衰变已经在理论上被预测，这并不一定是事实。在“无中微子双β”(0νββ)衰变中，会发射出两个β粒子，但没有中微子。从表面上看，这个过程似乎违反了轻子数守恒定律，但几十年来，物理学家有理由相信这仍然是可能的。因此，从实验上观察这一过程将对我们目前对基础物理学的理解产生深远的影响。

打破标准模式
1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳提出了一个有趣的建议:某些粒子有可能是它们自己的反粒子。事实上，我们知道大多数基本粒子不可能是这样的，因为一个粒子不可能同时带正电荷和负电荷。然而，基于我们目前对中微子有限的了解，它们可能是所谓的“Majorana粒子”的可能性仍然存在。

由于0νββ衰变不发射中微子，它的观测将首次证实基本Majorana粒子的存在。“0νββ衰变可能是最好的资源，可以探测中微子是否像马约拉纳预测的那样是它们自己的反粒子，并提取它们的有效质量，”卡普茨洛教授解释说。“此外，如果观测到0νββ衰变，将表明自然界中物质和反物质之间的精确平衡可能被破坏。”

在宇宙中，与反物质相比，物质数量的巨大差异是目前物理学家面临的最大问题之一。因此，直接证实0νββ衰变可能发生，对粒子物理学、核物理学和宇宙学来说是一件大事;可能会给研究人员提供他们需要的工具来重新绘制标准模型，以更准确地描述宇宙的基本常数。

如果观察到的话，0νβ衰减将发出物质与反物质之间的确切平衡，可以侵犯自然界。

“目前，这个物理案例是‘超越粒子物理标准模型’的最重要的研究之一，”Cappuzzello教授继续说。“它可能会为基本力(电磁、弱相互作用和强相互作用)的大统一理论指引道路，并揭示宇宙中观测到的物质-反物质不对称的来源。”

0νββ检测的比赛
可以理解，对物理学家来说，改变我们对宇宙最基本组成部分的理解是一个诱人的前景。正如Agodi博士所描述的，这意味着近年来对0νββ衰变的研究有所增加。她说:“尽管这个过程从未被观察到，但为了检测它，存在着一种全球性的竞赛，涉及到中微子、核物理和粒子物理领域的大型科学合作和国际实验室。”

理论物理学家提出了各种方法来推断出0νβ的过程（比宇宙寿命长度超过1016倍），源于所有双β衰变中必须服从的规则（ββ）流程。“由于ββ-衰变过程涉及原子核的转型，必须占据核结构问题，以便描述它，”Cappuzzello教授继续。“特别是，关键的数量是所谓的核基质元素（NME），其表达ββ-腐烂的结果表达母细胞核母细胞核母细胞核的可能性。”

基于最先进的理论计算，目前世界各国的物理学家们正致力于具体评估控制0νββ衰减时间的NMEs。然而，由于直接检测发生的过程极为困难，这些计算在提供物理学家在实验中所要求的精确程度方面面临着重大挑战。

Agodi博士说:“尽管核结构研究取得了巨大的努力和改进，但目前模型的模糊性仍然太大，无法提供NMEs所需的准确性。”在他们的研究中，Cappuzzello教授、Agodi博士和他们的同事们打算在卡塔尼亚南部国家实验室(INFN Laboratori Nazionali del Sud)的尖端设施的帮助下，首次实现这一水平的准确性。

观察一个紧密的类比
ββ-衰减不是物理学中的唯一过程，其中同时交换了两个电荷。作为Cappuzzello教授解释，其他“双重电荷交换”（DCE）流程将更容易地观察到0νβ-β-腐烂。“在这种情况下，DCE反应的实验研究，即促进类似核转型作为ββ衰减的过程，可以提供重要信息，”他说。“优点是可以在受控实验室条件下研究表明。”

Cappuzzello教授和Agodi博士的团队利用了这样一个事实:0νββ衰变的过程与那些更容易观察的DCE反应具有可比性。因此，物理学家们提出，0νββ衰变的nme可以通过观察在一个特定可控环境中发生的dce来推断:即快速移动的重离子之间的碰撞。

该团队在以前的研究中试图这样做。然而，到目前为止，他们的努力被他们的重离子碰撞的产品散落的微小概率阻碍了 - 一个名为碰撞'横截面'的值。通过这种易察觉的横截面，物理学家非常努力地知道在哪里寻找碰撞产品，其中发生了DCE。但由于这些挫折，由意大利国家核物理研究所所拥有的卡塔尼亚的Infn-LNS设施，所造型的核心机构，这可能使他们的任务变得更加容易。

与新设备，Cappuzzello教授和Agodi博士的团队现在希望能够更容易地制作重离子碰撞的横截面测量。“最近，我们在卡塔尼亚的Infn-LNS实验室建立了一种创新的实验方法，使我们能够在很大程度上克服这种实验挑战，从而提取来自DCE反应的纽姆斯的定量信息，”叙述教授Cappuzzello。

Numen是由重要物理案例驱动的核和中微子物理学的挑战性项目。

介绍:NUMEN项目
2014年，Cappuzzello教授，Agodi和他们的同事博士博士揭开了他们的“核矩阵元素，为中微生的双β衰变”（Numen）项目。“Numen的目的是调查对目前和未来研究探索的所有同位素的DCE反应的核反应，”Agodi博士博士说。“该项目的若干方面需要开发创新技术，用于对收集数据的实验设置和理论解释。”

在NumN项目的新功能的核心，是Infn LNS实验室卡塔尼亚的两种最先进的装置。第一件设备名称为K800超导回旋加速器 - 一种能够将重型离子加速到高速的粒子促进剂，同时确保离子之间的精确碰撞。其次，Magnex光谱仪将分析这些碰撞的产品，以令人难以置信的高精度。“虽然K800随着所需的高分辨率和低发射率加速了重离子梁，但Magnex检测到具有大量接受和质量，能量和角度的高分辨率的反应产品，”Cappuzzello教授解释。

在这些设备的帮助下，再加上针对NUMEN结果所开发的新的尖端理论计算，研究人员很快就有望开始对0νββ NMEs进行最广泛的搜索。Cappuzzello教授说:“INFN-LNS设施在当今世界范围内的研究中是独一无二的，并且很可能在未来几个月开始对整个研究基础设施进行重大升级。”

一个有前途的未来
NUMEN项目代表了物理学各个领域的思想汇集。正如Cappuzzello教授和Agodi博士得出的结论，NUMEN的研究人员认为，这正是做出重大新发现所需要的。他们说:“NUMEN是一个具有挑战性的项目，它位于原子核和中微子物理学的交叉点，由一个重要的物理学案例驱动，并开启了有趣的科学场景和潜在的技术后果。”

在未来几年中，研究人员参与了项目看起来是在实验上展开全球比赛的最前沿，并为存在Majorana粒子的存在提供第一证据。如果他们成功，可以最终实现一长遍的标准模型的摇晃，允许前所未有的机会探索宇宙最基本的建筑块。