近日，中山大學(xué)物理與天文學(xué)院教授堯江明團(tuán)隊(duì)與歐洲核子研究中心Giuliano Giacalone博士合作，在無(wú)中微子雙貝塔衰變（0νββ）研究方面取得重要進(jìn)展，提出全新方法約束無(wú)中微子雙貝塔衰變核矩陣元（NME）。相關(guān)成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
“我們創(chuàng)新性地提出了一種全新的思路：通過(guò)測(cè)量高能核碰撞實(shí)驗(yàn)中集體流的分布，間接約束0νββ候選核的NME，以期顯著降低其理論不確定性。”論文共同通訊作者堯江明對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示。
審稿人對(duì)該研究給予了高度評(píng)價(jià)，稱(chēng)其“具有引人入勝的創(chuàng)新性，是推動(dòng)0νββ衰變NME研究向前邁出的重要一步”，并進(jìn)一步指出：該工作有望引導(dǎo)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)探索全新的研究方向。
無(wú)中微子雙貝塔衰變矩陣元與重離子碰撞觀測(cè)量之間的關(guān)聯(lián)性。研究團(tuán)隊(duì)供圖
原子核0νββ衰變“謎題”
1935年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主瑪麗亞˙格珀特-邁耶（Maria Goeppert-Mayer）率先研究伴隨兩中微子發(fā)射的原子核雙貝塔衰變過(guò)程。1939年，美國(guó)物理學(xué)家弗里（W.H. Furry）基于中微子為其自身反粒子（馬約拉納費(fèi)米子）的假設(shè)，首次提出0νββ衰變的可能性。此后，0νββ衰變成為粒子物理與核物理領(lǐng)域長(zhǎng)期探索的核心前沿課題。
觀測(cè)到原子核0νββ衰變意義重大，將直接證實(shí)中微子是馬約拉納費(fèi)米子，表明輕子數(shù)守恒定律在自然界中被打破，不僅具有深遠(yuǎn)理論意義，還可能為解釋宇宙中正反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)性提供關(guān)鍵線索。2015年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予中微子振蕩實(shí)驗(yàn)，證實(shí)中微子具有非零質(zhì)量，這一突破進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)0νββ衰變的實(shí)驗(yàn)研究，為通過(guò)該過(guò)程間接測(cè)定中微子絕對(duì)質(zhì)量帶來(lái)新希望。
論文合作者、日本京都大學(xué)博士研究生張馨表示，目前，國(guó)際上多個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)基于不同探測(cè)技術(shù)積極開(kāi)展0νββ衰變的搜尋工作，已將其半衰期下限推至約1026年，并推進(jìn)下一代實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與建設(shè)，目標(biāo)在未來(lái)實(shí)現(xiàn)1027年以上的靈敏度。中國(guó)也積極布局，相關(guān)實(shí)驗(yàn)在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室展開(kāi)，并將在江門(mén)地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步拓展，已取得初步成果，前景良好。
然而，盡管實(shí)驗(yàn)技術(shù)不斷進(jìn)步，0νββ衰變的理論預(yù)言仍存在顯著不確定性。核心難題在于精確求解復(fù)雜的原子核量子多體系統(tǒng)，這限制了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋?zhuān)o中微子質(zhì)量的提取帶來(lái)很大不確定度，是未來(lái)該領(lǐng)域理論研究亟待突破的關(guān)鍵問(wèn)題。
“以往理論研究多基于含自由參數(shù)的有效核力及衰變算符，不同傳統(tǒng)核理論模型給出的NME差異達(dá)2～3倍甚至更多，且無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。”堯江明表示，核理論工作者只能不斷完善各自模型以減小NME的模型相關(guān)性。
新法破局0νββ衰變研究
堯江明回憶，2013年他在日本東北大學(xué)工作期間開(kāi)始涉足0νββ衰變的理論研究，起步較晚。但通過(guò)與北京大學(xué)核理論課題組緊密合作，團(tuán)隊(duì)迅速完成0νββ衰變核矩陣元（NME）的相對(duì)論描述工作，雖表明相對(duì)論效應(yīng)對(duì)NME影響不大，但為后續(xù)研究奠定堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)。
長(zhǎng)期以來(lái)，0νββ衰變的NME計(jì)算雖有進(jìn)展，但模型依賴(lài)性問(wèn)題始終未有效解決。直到2020年，基于手征有效場(chǎng)論的原子核從頭計(jì)算（ab initio）方法首次成功應(yīng)用于候選核的NME研究，局面迎來(lái)突破。
堯江明（后排左四）團(tuán)隊(duì)合影。研究團(tuán)隊(duì)供圖
“我們將從頭計(jì)算方法與傳統(tǒng)核結(jié)構(gòu)模型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)48Ca的NME的第一性原理計(jì)算，為未來(lái)提供具有可控不確定度的核矩陣元奠定基礎(chǔ)。”堯江明說(shuō)。該成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》上，并獲國(guó)際科技媒體專(zhuān)題報(bào)道。
此后，從頭計(jì)算方法成為引領(lǐng)0νββ衰變NME研究的前沿方法之一。其最大優(yōu)勢(shì)在于能系統(tǒng)量化計(jì)算結(jié)果的不確定性，對(duì)實(shí)現(xiàn)NME高精度預(yù)測(cè)至關(guān)重要。2021-2024年，堯江明團(tuán)隊(duì)利用該方法，定量評(píng)估短程躍遷算符對(duì)NME的重要貢獻(xiàn)，成功給出關(guān)鍵候選核76Ge的0νββ衰變核矩陣元及其統(tǒng)計(jì)不確定度，系列成果均發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。
目前，團(tuán)隊(duì)正將該方法推廣至更重的候選核體系，如PandaX實(shí)驗(yàn)研究的136Xe等。
約束核矩陣元的新路徑
“盡管原子核0νββ衰變NME的從頭計(jì)算取得了顯著進(jìn)展，但其預(yù)言結(jié)果仍面臨較大的不確定性，主要源于核力本身及多體波函數(shù)構(gòu)建中的系統(tǒng)誤差。”堯江明表示，為進(jìn)一步壓縮不確定度，科研人員近年來(lái)致力于尋找其他可觀測(cè)量與NME的關(guān)聯(lián)，如原子核低激發(fā)態(tài)性質(zhì)、雙Gamow-Teller躍遷、雙伽馬躍遷等。
“2024年，我們將本征矢延拓（EC）方法引入相對(duì)論多參考態(tài)協(xié)變密度泛函理論，建立了子空間投影的相對(duì)論密度泛函理論（SP-CDFT）框架，并據(jù)此揭示了0νββ衰變NME與原子核低激發(fā)態(tài)性質(zhì)之間的潛在相關(guān)性。”張馨表示，該理論成果促成與Giuliano Giacalone的合作。
據(jù)介紹，近年來(lái)，高能重離子碰撞廣泛用于探索原子核的基態(tài)形狀，實(shí)驗(yàn)表明碰撞中產(chǎn)生的集體流分布與原子核的形變參數(shù)密切相關(guān)。由此，團(tuán)隊(duì)設(shè)想通過(guò)測(cè)量候選核在高能碰撞中產(chǎn)生的集體流行為，反向約束其0νββ衰變的NME。Giuliano Giacalone看到團(tuán)隊(duì)的SP-CDFT工作后，迅速表達(dá)合作意愿。
論文第一作者、中山大學(xué)物理與天文學(xué)院碩士研究生李義表示，研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)耗時(shí)數(shù)月開(kāi)展高強(qiáng)度數(shù)值模擬，反復(fù)驗(yàn)證模型穩(wěn)定性與預(yù)測(cè)能力。需對(duì)上千組不同模型參數(shù)下的NME進(jìn)行精確計(jì)算，每組計(jì)算過(guò)程極為復(fù)雜。借助子空間投影SP-CDFT方法，團(tuán)隊(duì)高效實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)級(jí)別的NME模擬計(jì)算。
在國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，研究團(tuán)隊(duì)以150Nd→150Sm為例，首次將貝葉斯核結(jié)構(gòu)分析與高能150Nd+150Nd碰撞模擬相結(jié)合，揭示了0νββ衰變NME與夸克-膠子等離子體空間梯度分布、各向異性等集體特征之間存在顯著關(guān)聯(lián)。這些碰撞過(guò)程中的集體流特征可通過(guò)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)高能實(shí)驗(yàn)獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)，為約束NME提供全新實(shí)驗(yàn)路徑，開(kāi)辟了連接高能核碰撞與低能弱衰變過(guò)程的嶄新方向。
“盡管我們?nèi)〉昧顺醪竭M(jìn)展，但要真正實(shí)現(xiàn)0νββ衰變NME的精確預(yù)測(cè)，仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。”堯江明坦言道。目前，其團(tuán)隊(duì)正積極推進(jìn)原子核從頭計(jì)算方法發(fā)展，探索其他物理觀測(cè)量與NME的關(guān)聯(lián)性，期望進(jìn)一步降低關(guān)鍵候選原子核NME的不確定度，最終實(shí)現(xiàn)精確預(yù)言。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/zymp-tyjj
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