白娘子千年等一回，物理学家：“十万亿亿亿年我们也等”

你听过的最长时间有多长？人类诞生至今几百万年，不过是弹指之间，远不及恐龙主宰地球2亿年；而地球存在的46亿年，也只是138亿年宇宙史中的一段插曲......然而，有一种原子核衰变却被认为能跨越宇宙长河，十万亿亿亿年才能发生一次，比宇宙的年龄还长了亿亿倍！

这种核衰变被称为“无中微子双β衰变”，它如此稀有，引得世界各国的物理学家为之魂牵梦萦，绞尽脑汁积极寻找。它的背后究竟隐藏了哪些奥秘？物理学家们可能找到吗？

图 目前科学家认为无中微子双β衰变约十万亿亿亿年才能发生一次 图| 廖紫倩

最鬼魅的粒子

我们所处的物质世界由一系列的基本粒子组成。在这些粒子中，中微子被认为是一种特殊的存在，它无所不在，却与普通物质相互作用极其微弱，来无影去无踪，被人们称为“幽灵粒子”。

中微子的发现源于科学家们对原子核的β衰变过程的研究。β衰变是自然界中一类常见的衰变现象，比如原子核中的一个中子通过β衰变变为质子。

根据能量守恒定律，能量不会凭空产生，也不会凭空消失。20世纪初，人们在研究β衰变时，却发现了一种奇怪的现象：经过测量，β衰变放出的电子能量在一定范围内，各种大小都有可能，这意味着有一部分能量居然“凭空消失”了。

著名奥地利物理学家泡利（W. Pauli）对此给出了一个可能的解释。1930年12月，在德国图宾根市举行的一个物理大会上，泡利让朋友宣读了一封信。在信中，泡利大胆地提出假设：可能存在一个电中性、质量极小的新粒子伴随着β衰变的电子产生。

图 奥地利物理学家泡利 图源| neutrino-wiki

1934年，费米（E. Fermi）将这种可能存在的中性粒子取名为“中微子”（Neutrino），意大利语意为“中性的微小粒子”。

神秘的中微子十分难被探测到，直到1956年，美国物理学家科温（C. Cowan）和莱因斯（F. Reines）等人才用实验证实了中微子的存在。他们也因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖【1】。

虽然中微子概念的提出较早，其成为研究热点其实是在粒子物理的标准模型建立以后。自上世纪60年代诞生至今，标准模型理论经过不断完善，成功经历了半个多世纪的实验检验。在标准模型中，中微子质量要求严格为零。

图 基本粒子卡通图。标准模型中构成物质世界的基本粒子有6种夸克和6种轻子，同时还包括传递作用力的粒子——传递电磁力的光子、传递强核力的胶子、弱核力的W和Z玻色子，以及与粒子质量来源相关的希格斯玻色子。标准模型描述了组成所有物质的基本粒子以及粒子间的电磁、强、弱相互作用。这三种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。图源| European Organization for Nuclear Research

1998年，日本超级神冈实验发现中微子振荡，以坚实的证据显示中微子会“川剧变脸”——它可以在飞行过程中从一种类型转变成另一种类型。而这种变化只有在中微子具有非零静止质量时才会发生。

中微子振荡的发现引起了科学界的极大震动。它的发现表明中微子质量不为零，这是目前唯一有坚实实验证据的超出标准模型的现象。因中微子振荡的发现，日本物理学家梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大物理学家麦克唐纳（Arthur McDonald）分享了2015年诺贝尔物理学奖。

中微子是目前人类已发现的唯一性质超出粒子物理标准模型的粒子，它的研究被认为是一个粒子物理新时代的突破口。虽然关于中微子的研究迄今已斩获4项诺贝尔奖，但物理学家对它的认知仍十分有限，还有一系列基本问题有待解答。比如，中微子是否是自己的反粒子？

最重要的科学问题之一

1937 年，意大利天才物理学家马约拉纳(E. Majorana) 因为不满于狄拉克方程中电子与正电子之间的非对称关系，提出了马约拉纳费米子这一新概念。

自然界中任何由奇数个夸克或轻子组成的粒子都可称为费米子。正反粒子不同的费米子通常定义为狄拉克费米子。不同于狄拉克粒子，马约拉纳粒子的特点在于反粒子就是其自身。马约拉纳指出电中性的中微子可能就是这种粒子。

在提出马约拉纳粒子后不久，1938年3月，年仅32岁的马约拉纳在意大利西西里岛神秘失踪。他的失踪成了物理学史上难解的谜团。

图 马约拉纳 图源| physicsworld

而马约拉纳的失踪也留下了中微子的身份悬念。中微子是不是自己的反粒子？这是物理学中一个非常基本而且重要的问题。1939年，哈佛大学教授弗瑞(W. Furry)提出可以通过寻找无中微子双贝塔衰变（0vββ）这样一种衰变模式来对中微子的本质做出判断【2】。

双贝塔衰变典型的过程是原子核内两个中子同时衰变为两个质子，且放出两个电子，同时伴随一对电子反中微子发出的过程。经过了半个世纪的搜索，这一过程于1987年得到实验证实【3】。

无中微子双贝塔衰变则是衰变产物仅包含两个电子而没有中微子的过程。这种反应只有中微子是自身的反粒子（即中微子是马约拉纳粒子)且有非零质量的情况下才可能发生。

图 原子核的双中微子双贝塔衰变（左图）与无中微子双贝塔衰变（右图）

因此，除了验证中微子是否是其自身反粒子外，通过寻找0vββ并测量其半衰期，我们能够对中微子的马约拉纳有效质量（mββ）施加约束，间接限定中微子的绝对质量【4】。

此外，随着宇宙学研究的不断深入，科学家们还发现中微子与宇宙正反物质不对称的起源有着密切关系。现有的物理学知识认为，宇宙大爆炸最初不仅产生了物质也产生了反物质，两者应当各占一半。而目前天文观测结果显示，宇宙基本上由物质构成，反物质无迹可寻。是什么原因造成了反物质世界的消失，而留下了我们所见的物质世界？

图 宇宙中的物质-反物质不对称 图源| Symmetry Magazine，Sandbox Studio, Chicago

0vββ的发现，可以确认存在轻子数不守恒的过程，为宇宙诞生初期物质和反物质的不对称起源提供重要的条件，回答为什么宇宙中的正物质比反物质多这一涉及宇宙起源和演化的根本问题。

简单来说，如果观测到0vββ，则意味着中微子是其自身的反粒子，将为我们打开新物理世界的大门。物理学家倾向于相信中微子确实是马约拉纳粒子，因为这样很多困扰我们的谜团都能得以轻松解释。

物理学家的极限挑战

新物理往往隐藏于极其稀有的事件之中。由于科学意义重大，自上世纪80年代以来，随着探测器技术的不断发展，实验寻找0vββ逐渐成为粒子物理与核物理领域最热门的研究方向之一。

通俗地说，实验探测0vββ，就是把包含能够发生双β衰变的核素材料做成探测器，依靠“守株待兔”的方法，静待稀有衰变事件的发生。

然而，这类实验对于物理学家可以说是极限挑战。首先要挑战的就是史上最长的衰变时间。理论预言，对于已知双贝塔衰变核素，0vββ约十万亿亿亿年（1029）才能发生一次。科学家们当然不会傻等，他们巧妙地利用连接宏观与微观世界的阿伏伽德罗常数（6.02×1023）,使用几吨甚至几十、几百吨ββ衰变核素，幸运的话，也许在几年时间内能观测到0vββ衰变。

其次，科学家还要面临各种来自环境的放射性本底的巨大影响，尤其是地表宇宙线，对探测器的干扰极大。因此0vββ实验通常在深地实验室开展，通过岩石屏蔽，极大地减小宇宙线本底干扰。

人类如此渺小，可探知世界的好奇心又是如此强烈。尽管面临万般艰难，科学家们始终锲而不舍，相当规模的实验正在多国开展，希望一步步将“不可能”变为可能。

目前，美国、意大利、日本等国家的地下实验室都有相关实验装置正在运行，有多种探测技术被用来寻找0vββ。这些实验大都处于百公斤级探测器阶段。目前为止，这些实验给出的0vββ半衰期下限为1025-1026年【5-8】。

我国科学家也八仙过海，各显神通，正在积极推动多种不同技术方案的0vββ实验，包括基于高纯锗探测器的CDEX实验，基于液氙时间投影室的 PandaX-4T，基于气氙时间投影室的PandaX-III实验，基于高压82SeF6气体时间投影室的NνDEx实验，基于晶体量热器的CUPID-CJPL实验以及基于大型液闪探测器的JUNO-0νββ实验【9-13】。

我国的锦屏深地实验室是世界上最深的地下实验室，2400米的深度提供了超低宇宙线本底环境，为无中微子双贝塔衰变实验创造了极佳的条件。在不久的将来，多种实验技术方案都计划建设吨级探测器，预期能够将多种核素0vββ半衰期测量灵敏度提高到1027年以上，为彻底揭示中微子马约拉纳属性研究带来希望。

结语

美国《科学》杂志在创刊125周年之际提出了125个重大科学前沿问题，“中微子是否是其自身的反粒子”赫然在列。如果能在实验上发现马约拉纳粒子，将为人类了解大自然的终极奥秘打开大门。

中微子双贝塔衰变实验是粒子物理最有希望在将来一段时间取得突破性进展的方向之一。相信不久的未来，我们能越来越接近中微子属性的真相。中微子质量、正反物质对称性及宇宙起源等基础前沿问题都有望获得改写教科书的答案。

接下来会有哪些激动人心的科学发现呢？让我们拭目以待。

致谢：感谢中国科学院近代物理研究所房栋梁研究员、仇浩研究员阅读本文并提供宝贵意见和建议。

（作者马龙系复旦大学青年研究员）

作者| 马龙 刘芳

封面图| 廖紫倩

审核| 梁羽铁

【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，锦屏无中微子双贝塔衰变低温晶体量热器实验， 2025年, 第55卷, 第11期, 111009

本文转载自《中国科学院近代物理研究所》微信公众号

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