问题描述

中微子是构成物质世界的最小单元之一，它的质量起源机制以及与其他物质的相互作用特性一直都是粒子物理学研究的核心问题。实验证明中微子有质量，而粒子物理学标准模型却预言中微子质量为零。因此，标准模型是不完备的。中微子质量起源跟宇宙物质-反物质不对称问题、暗物质、天体演化等宇宙起源和演化问题密切相关。

问题背景

中微子是构成物质世界的最小单元之一，它的质量起源机制以及与其他物质的相互作用特性一直都是粒子物理学研究的核心问题。三十多年来，关于中微子的研究已先后4次获得了诺贝尔奖，但依然存在许多重大问题亟待解决。

自1998年以来，太阳、大气、加速器和反应堆中微子振荡实验证明三种中微子之间可以相互转化，这意味着中微子有质量，而粒子物理学标准模型却预言中微子质量为零。因此，标准模型是不完备的。中微子质量是具有确凿实验证据的新物理现象，是建立更完善的基本粒子物理学理论的重要突破口，也跟宇宙物质-反物质不对称问题、暗物质、天体演化等宇宙起源和演化问题密切相关。

中微子质量及其相关问题的实验研究可分为三类，一是通过中微子振荡测定中微子的质量顺序、精确测量中微子振荡参数和轻子部分CP破坏相角，二是观测无中微子双贝塔衰变以澄清中微子是否是其自身的反粒子，三是通过贝塔衰变和宇宙学观测确定中微子质量的绝对大小。理论上，能够自然解释中微子质量极其微小的事实的“跷跷板机制”，提供了从低能标窥探高能标新物理的特殊窗口；大的轻子CP破坏相角有希望解释宇宙物质-反物质不对称问题；中微子是否是其自身的反粒子是完善基本粒子物理学理论必须首先回答的问题，而冷暗物质粒子可能具有类似的马约拉纳属性。毫无疑问，实验上的重大进展和发现将有助于深入理解中微子质量的产生机制，并为寻找新的基本理论提供关键线索。

早在2014年，美国能源部和自然科学基金委员会辖下的“粒子物理学项目优化小组”就提出了值得优先投资的科研“五驾马车”：希格斯工厂、中微子实验、暗物质探索、暗能量和宇宙暴涨、以及新粒子与新相互作用。无独有偶，2018年欧洲粒子天体物理联合会发布的战略规划报告也将中微子物理与暗物质、多信使天文学同时列为重点发展方向。由此可见，只有针对中微子质量及相关的重大科学问题在中微子振荡、无中微子双贝塔衰变等研究方向上优先合理布局，才能在与欧洲、美国和日本等发达国家激烈的国际竞争中占有一席之地并最终胜出。

最新进展（截止问题发布年度）

2012年，大亚湾反应堆中微子实验率先发现新的中微子振荡模式，测量到最小的中微子味混合角，为中微子基本性质的实验研究指明了前进的方向，即测定中微子质量顺序和发现轻子部分的CP破坏现象。

江门中微子实验设施正在建造当中，该实验将拥有世界上最大和最灵敏的液闪中微子探测器并得以精确测量反应堆中微子能谱。江门探测器预计2023年正式运行取数，它不仅可以确定中微子质量顺序，还能将相关的基本物理学参数的测量精度提高一个数量级，从而为检验三代中微子振荡的完整性以及寻找超出标准模型的新物理现象提供可能。美国DUNE实验、日本HyperK实验、位于南极的PINGU实验和地中海的ORCA实验的主要目标之一同样是测定中微子质量顺序，因此江门实验的顺利建造和稳定运行成为赢得这场科学竞赛的关键。

轻子部分的CP破坏现象可以通过长基线加速器中微子振荡实验来观测。国际上最具潜力的是美国的DUNE实验和日本的HyperK实验，它们都计划在2027年左右开始运行。

无中微子双贝塔衰变在中微子质量的研究中扮演着不可替代的角色，它是确定中微子是否是其自身反粒子的唯一切实可行的途径。如果实验上发现无中微子双贝塔衰变的信号，那就证明自然界存在轻子数破坏的相互作用且中微子质量具有马约拉纳属性。这表明中微子质量的起源一定与轻子数破坏的新物理相关联，也为粒子物理学标准模型的扩充提供重要依据。

国际上已有很多基于氙-136、锗-76、碲-130等核素的无中微子双贝塔衰变实验，包括正在运行的KamLAND-Zen、EXO-200、GERDA、MAJORANA Demonstrator和CUORE，以及计划当中的KamLAND2-Zen、nEXO、LEGEND和CUPID。如果中微子质量谱为倒序，那么下一代吨量级的实验有望探测到无中微子双贝塔衰变的信号。若中微子质量谱为正序且明显偏离近简并区域，则需要更大规模、更高精度和更低本底的无中微子双贝塔衰变探测器，后者无疑具有极大的挑战性。值得强调的是，倘若将来的探测器能达到百吨级别，它不仅有望观测到正质量顺序情况下的无中微子双贝塔衰变，也能够将中微子的绝对质量的测量精度提高到毫电子伏的量级。

国内的无中微子双贝塔衰变的实验研究还处于起步阶段，CDEX和PandaX合作组都已发表初步的实验结果，并提出了具有国际竞争力的未来方案。江门二期实验计划在液闪探测器中掺入百吨量级的氙或碲核素来探测其无中微子双贝塔衰变信号，能够充分利用已有设施，成为未来灵敏度最高的实验之一，而如何降低本底是实验面临的关键难点。鉴于无中微子双贝塔衰变研究的国际形势发展迅猛，国内的实验项目需要尽快布局并开展关键技术和硬件的研发，争取在吨量级甚至百吨量级的下一代实验的竞争中脱颖而出。

重要意义

中微子质量及其他基本性质的实验和理论研究是粒子物理学的重大基本问题，特别是中微子的质量顺序、轻子部分的CP破坏现象和中微子质量的马约拉纳属性。这些基本问题的解决不仅对建立更完善的粒子物理学理论至关重要，也对相关研究领域的发展影响深远。

宇宙的物质-反物质不对称是宇宙学标准模型无法解释的重大疑难问题。中微子质量起源和轻子部分的CP破坏可能与宇宙物质-反物质不对称问题紧密相关，比如中微子质量起源的跷跷板模型可以为物质-反物质不对称问题提供一个简单而优美的解决方案。如果证明轻子数破坏的相互作用是解决中微子质量起源问题的关键，那么中微子质量模型的检验必然是未来高能对撞机实验的不可忽视的主要目标之一。

中微子的探测和无中微子双贝塔衰变的观测都要求更大规模的探测器、更高的能量分辨率和更低的本底噪声，为此研发的探测技术和硬件设备将来一定会有更广泛的应用前景。除此之外，中微子振荡和无中微子双贝塔衰变实验的大型探测器对暗物质粒子、超新星中微子、高能天体中微子的观测同样具有巨大的潜力，将会对暗物质物理、多信使天文学、天体物理和核物理的研究产生重要影响。