Research|低温晶体量热器无中微子双贝塔实验技术研发的突破-复旦大学马余刚院士研究组提出前瞻性评述

低温晶体量热器作为当前极具竞争力的实验技术之一，在寻找无中微子双贝塔衰变（0νββ）这一重要的稀有物理事件中起着关键作用。意大利CUORE实验（低温地下稀有事件观测站）作为世界上第一个吨级晶体热量探测器，近年来在0νββ研究中取得了重要成果，实现国际领先的测量灵敏度，对中微子有效马约拉纳质量设定了严格约束，充分展现低温晶体量热的技术优势。然而，为了覆盖中微子有效质量反序区间至部分正序区间，发现可能的无中微子双贝塔衰变事件并确认中微子的马约拉纳属性，必须进一步提升测量灵敏度。当前实验提升灵敏度面临着多重技术挑战。突破新一代低温晶体量热关键技术，建立新一代大型0νββ实验，对于实现测量灵敏度数量级提升至关重要。

当前基于传统低温晶体量热器技术的CUORE实验实现了对¹³⁰Te核素可能存在的0νββ信号的高灵敏度探测。CUORE采用总质量约为742千克TeO₂晶体阵列（包含约206公斤高纯¹³⁰Te）和中子嬗变掺杂锗热敏电阻（NTD）耦合晶体，将热（声子）信号转换为电信号记录分析，来寻找可能的0νββ事件。实验基于首个1吨·年曝光量数据开展了细致的搜索，尽管结果尚未发现0νββ衰变证据，但给出¹³⁰Te无中微子双贝塔衰变的半衰期下限2.2×10²⁵年，对应中微子有效马约拉纳质量限m_ββ<90-305meV这一迄今基于¹³⁰Te核素的最严格限制。

为提高实验灵敏度，目前国际上正在积极发展应用于新一代实验的CUPID技术方案。CUPID作为CUORE的升级方案，引入闪烁晶体作为探测器靶材和光-热双读出技术，以增强本底甄别和抑制能力。近年来，基于锂钼酸盐（Li₂MoO₄，LMO）晶体和锗光探测器技术的小规模样机实验不断取得新进展，模块设计结构如图1所示，通过对Li₂MoO₄晶体探测器光热两相信号读出符合测量，实现了优异的α背景事件分离，大幅压低了0νββ测量感兴趣区间本底水平，这是灵敏度提升的关键技术。CUPID首阶段目标本底水平为10⁻⁴计数/（keV·千克·年)，未来吨级方案（CUPID-1T）则需达到10⁻⁵计数/（keV·千克·年）甚至更低。因此，虽然CUPID技术显著提升了0νββ探测性能，但仍需进一步突破本底限制（包括2νββ叠加事件背景、宇生本底、探测器材料放射性等）。目前通过引入反符合系统、采用快读出传感器提高时间分辨率以及优化探测器设计减少材料用量等开展探索研究。

图1 基于光-热双读出的LMO晶体测试模块设计结构

未来大型0νββ实验要实现灵敏度数量级提升需要进一步降低本底水平。除了通过提升探测器时间分辨率区分叠加事件、优化晶体探测器设计和加强光收集能力提升双读出本底甄别能力，利用地下实验室低宇宙射线背景优势，开展地下材料制备也是关键策略。目前国际上岩石埋深最深的中国锦屏地下实验室（CJPL）为开展新一代CUPID技术研发创造了国际领先条件，基于钼基晶体的技术研发正积极开展，计划通过对不同读出技术的比较研究，助力未来吨级实验的构建，在超越标准模型的稀有物理事件寻找中取得突破。

共同通讯作者：马余刚

复旦大学教授、中国科学院院士、美国物理学会会士。博士生导师、国家杰出青年基金获得者。1989年7月本科毕业于浙江大学，1994年在中科院上海原子核所获得博士学位，同年留所工作并晋升为研究员，2018年底创建复旦大学核物理团队。主持过国家科技部973计划，国家自然科学基金委重大项目及创新研究群体项目。兼任上海市物理学会理事长，中国物理学会常务理事，亚洲核物理联合会理事，Nuclear Science and Techniques和《核技术》主编，SCIENCE CHINA Physics Mechanics&Astronomy和《中国科学 物理-力学-天文卷》副主编，Chinese Physics Letters副主编，Nuclear Physics News编委等。