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无中微子双贝塔(0νββ)衰变实验是当前 粒子物理与核物理研究的重要前沿，有可能发现**标准模型的新物理。我国参加这一 竞争具有潜在的优势。全书共8章。第1章概述了0νββ衰变的粒子物理学机制，尤其是与中微子的马约拉纳属性及轻子数不守恒的内在关联。第2章综述了0νββ衰变核矩阵元的主要理论计算方法以及 外的特色工作和**进展，强调了发展不同算法和考虑多体关联效应以提高计算精度。第3章介绍了我国锦屏地下实验室的优越自然条件，其2400米的岩石埋深为开展极低本底的0νββ衰变实验提供了**场所。第4章至第7章提出利用高纯锗γ探测器阵列、Topmetal芯片读出系统的高压气体时间投影室(TPC)、低温晶体量热器阵列和大型液体TPC及高压气体TPC分别探寻76Ge、82Se、100Mo和136Xe的0νββ衰变的实验方案，预估了各自前期和 采用吨量级同位素分别达到的本底压低水平和探测0νββ衰变的半衰期及中微子有效质量的灵敏度。第8章介绍了离心分离技术富集76Ge、82Se、100Mo和136Xe同位素以满足吨量级探测器与高丰度实验需求的可能性和可行性。

目录

总序

前言

摘要

Abstract

第1章 无中微子双贝塔衰变的粒子物理学机制 1

1.1 引言 1

1.1.1 从贝塔衰变到无中微子双贝塔衰变 1

1.1.2 无中微子双贝塔衰变的分类与核素选取 2

1.1.3 理论与实验研究现状及其面临的挑战 4

1.1.4 确定中微子的马约拉纳属性的科学意义 7

1.2 无中微子双贝塔衰变的粒子物理学机制 8

1.2.1 活性马约拉纳中微子交换机制 8

1.2.2 惰性马约拉纳中微子交换机制 10

1.2.3 与中微子无关的新物理机制 12

1.2.4 谢克特-瓦尔定理及其唯象学意义 16

1.3 无中微子双贝塔衰变的有效中微子质量项 18

1.3.1 中微子质量谱与味混合参数 18

1.3.2 有效中微子质量|ee|的参数空间 19

1.3.3 新物理对有效中微子质量ee的修正 21

1.3.4 有效中微子质量ee的后验概率 24

1.4 其他可能的轻子数不守恒过程 27

1.4.1 轻子数不守恒的强子稀有衰变过程 27

1.4.2 中微子与反中微子振荡过程 30

1.4.3 在对撞机上寻找轻子数不守恒的信号 32

1.4.4 其他想法与实验探测的可能性 34

1.5 小结 37

参考文献 37

第2章 无中微子双贝塔衰变相关的原子核理论 47

2.1 引言 47

2.1.1 原子核中的弱相互作用过程 47

2.1.2 无中微子双贝塔衰变和中微子质量 48

2.1.3 无中微子双贝塔衰变矩阵元研究现状 50

2.2 弱相互作用哈密顿量和无中微子双贝塔衰变算符 52

2.3 无中微子双贝塔衰变核矩阵元的非相对论理论研究 55

2.3.1 基于Woods-Saxon平均场的准粒子无规相近似 55

2.3.2 基于密度泛函理论的准粒子无规相近似 56

2.3.3 基于对相互作用和四极相互作用的角动量投影壳模型 57

2.3.4 核矩阵元计算的不确定性 58

2.4 无中微子双贝塔衰变核矩阵元的相对论理论研究 58

2.4.1 基于相对论密度泛函理论的准粒子无规相近似 58

2.4.2 基于相对论密度泛函理论的生成坐标方法 59

2.4.3 核矩阵元计算的不确定性 61

2.5 小结 61

参考文献 62

第3章 中国锦屏地下实验室的发展 67

3.1 无中微子双贝塔衰变实验简介 67

3.2 无中微子双贝塔衰变实验本底来源 68

3.2.1 宇宙射线本底 68

3.2.2 环境辐射本底 71

3.2.3 探测器自身本底 74

3.3 地下实验室发展 76

3.4 中国锦屏地下实验室现状及发展 79

3.4.1 中国锦屏地下实验室一期 79

3.4.2 中国锦屏地下实验室二期 82

3.4.3 外比较 89

参考文献 91

第4章 76Ge无中微子双贝塔衰变实验 92

4.1 无中微子双贝塔衰变物理 92

4.2 76Ge无中微子双贝塔衰变实验 94

4.2.1 概况 94

4.2.2 发展历史 95

4.2.3 实验特点 97

4.3 现状 97

4.3.1 基本情况介绍 97

4.3.2 GERDA实验 99

4.3.3 马约拉纳实验 107

4.3.4 LEGEND实验 119

4.4 探测器系统和关键技术 120

4.4.1 高纯锗探测器单元与阵列 120

4.4.2 高纯锗探测器制造 125

4.4.3 高纯锗晶体生长 128

4.4.4 高纯锗前端电子学 133

4.4.5 数据获取系统 137

4.4.6 高纯锗探测器制冷系统 139

4.4.7 高纯锗探测器反符合系统 142

4.4.8 高纯锗探测器本底来源和抑制方法 145

4.5 CDEX实验计划 149

4.5.1 CDEX实验介绍 149

4.5.2 CDEX研究进展 149

4.5.3 CDEX未来规划 150

4.5.4 合作与交流 151

参考文献 152

第5章 NvDEx：基于高压SeF6时间投影室的无中微子双贝塔衰变实验 157

5.1 引言 157

5.2 相关技术 158

5.3 研发情况及实验的计划 159

5.4 近进展 160

5.5 NvDEx合作组 167

5.6 小结 168

参考文献 169

第6章 无中微子双贝塔衰变晶体量热器实验 171

6.1 晶体量热器简介 171

6.1.1 量热器技术背景 171

6.1.2 无中微子双贝塔衰变低温晶体量热器实验 172

6.1.3 低温晶体量热器技术的发展与应用 174

6.2 CUORE实验概况 175

6.2.1 CUORE发展历史 175

6.2.2 CUORE实验装置 176

6.2.3 研究进展 178

6.3 无中微子双贝塔衰变实验的晶体选择和晶体生长技术的发展 181

6.3.1 无中微子双贝塔衰变实验的晶体选择标准 181

6.3.2 LMO晶体的研究进展 184

6.3.3 应用于无中微子双贝塔衰变的TeO2晶体的研究进展 189

6.4 晶体量热器实验的本底考虑 193

6.4.1 主要本底来源与控制 193

6.4.2 放射性检测与材料筛选 197

6.5 晶体量热器温度传感系统和信号读出 201

6.5.1 半导体温度传感器 201

6.5.2 NTD-Ge温度传感器 202

6.5.3 NTD-Ge温度传感器的读出 204

6.6 新一代无中微子双贝塔衰变晶体量热器实验 208

6.6.1 无中微子双贝塔衰变实验的灵敏度 208

6.6.2 新一代无中微子双贝塔衰变实验的科学目标 211

6.6.3 新一代晶体量热器无中微子双贝塔衰变实验方案——CUPID 212

6.7 基于锦屏地下实验室发展无中微子双贝塔衰变低温晶体量热器实验的前景 214

6.7.1 中国锦屏地下实验室 214

6.7.2 基于锦屏地下实验室的无中微子双贝塔衰变低温晶体量热器实验 215

6.8 小结 218

参考文献 219

第7章 136Xe时间投影室探测无中微子双贝塔衰变 223

7.1 引言 223

7.2 136Xe同位素以及相关实验发展 225

7.2.1 氙元素性质及特点 225

7.2.2 136Xe的无中微子双贝塔衰变历史与现状 227

7.3 PandaX-Ⅲ高压气氙实验 233

7.3.1 探测器设计 233

7.3.2 PandaX-Ⅲ原型探测器 241

7.3.3 预期本底及物理灵敏度 245

7.4 基于PandaX双相型氙探测器 247

7.4.1 双相型氙探测器技术以及发展历程 247

7.4.2 PandaX-Ⅱ实验 250

7.4.3 PandaX-4T实验 257

7.4.4 双相型氙探测器发展展望 260

7.5 小结与展望 260

参考文献 261

第8章 双贝塔衰变实验用同位素制备 264

8.1 引言 264

8.2 离心分离基本原理 265

8.2.1 离心力场中的气体压强分布 265

8.2.2 离心力场中的径向分离效应 267

8.2.3 离心机的倍增效应 268

8.2.4 离心机的基本结构 269

8.3 稳定同位素分离特性参数 270

8.3.1 两组分间全分离系数 270

8.3.2 基本全分离系数 270

8.3.3 基本分离功率 271

8.4 稳定同位素分离技术问题 272

8.4.1 工作介质选择 272

8.4.2 专用机型设计 273

8.4.3 级联设计 275

8.4.4 工质转化及储存 276

8.4.5 产品净化及质谱分析 277

8.5 136Xe、82Se、76Ge、100Mo同位素生产 277

8.5.1 外研发及生产情况 277

8.5.2 天然同位素组成及分离工质特性 278

8.5.3 四种同位素分离的技术共性 279

8.5.4 同位素生产实例 280

8.5.5 四种同位素规模化生产对比 284

参考文献 285

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书籍介绍

无中微子双贝塔(0νββ)衰变实验是当前国际粒子物理与核物理研究的重要前沿，有可能发现超越标准模型的新物理。我国参加这一国际竞争具有潜在的优势。全书共8章。第1章概述了0νββ衰变的粒子物理学机制，尤其是与中微子的马约拉纳属性及轻子数不守恒的内在关联。第2章综述了0νββ衰变核矩阵元的主要理论计算方法以及国内外的特色工作和最新进展，强调了发展不同算法和考虑多体关联效应以提高计算精度。第3章介绍了我国锦屏地下实验室的优越自然条件，其2400米的岩石埋深为开展极低本底的0νββ衰变实验提供了极佳场所。第4章至第7章提出利用高纯锗γ探测器阵列、Topmetal芯片读出系统的高压气体时间投影室(TPC)、低温晶体量热器阵列和大型液体TPC及高压气体TPC分别探寻76Ge、82Se、100Mo和136Xe的0νββ衰变的实验方案，预估了各自前期和最后采用吨量级同位素分别达到的本底压低水平和探测0νββ衰变的半衰期及中微子有效质量的灵敏度。第8章介绍了离心分离技术富集76Ge、82Se、100Mo和136Xe同位素以满足吨量级探测器与高丰度实验需求的可能性和可行性。