马约拉纳演示者(Majorana Demonstrator)是由印第安纳大学(Indiana University)的研究人员和国际合作者进行的一项为期六年的实验，旨在回答有关基本物理定律的重要问题，尤其是中微子。这项研究旨在观察中微子是否可以成为自己的反粒子，以及中微子双β衰变的发生，尽管没有得到最终的观察，但它为中微子衰变的时间尺度、暗物质、量子力学提供了有价值的见解，并证明了所使用的研究技术可以在未来的工作中扩大规模，以了解宇宙的组成。
来自印第安纳大学的一组研究人员，以及国际组织所有的合作者都积极致力于解开围绕着支配我们宇宙的基本物理定律的基本谜团。
在过去的六年里，来自印第安纳大学的一组研究人员与国际合作者一起，一直致力于解开支配我们宇宙的基本物理定律的奥秘。他们进行了一项被称为马约拉纳演示者的实验，该实验极大地提高了我们对中微子的理解，中微子是宇宙的基本组成部分之一。
该实验的最终报告最近发表在《物理评论快报》上。
中微子是一种与电子相当但不带电荷的微小粒子，是宇宙中第二丰富的粒子，仅次于光。尽管数量众多，但它们的研究仍具有挑战性，因为它们不像其他粒子那样相互作用。
“中微子在每一个可以想象的尺度上对宇宙和物理学都有深远的影响，在粒子相互作用层面上让我们惊讶，在宇宙尺度上产生广泛的影响，”印第安纳大学艺术与科学学院的物理学助理教授沃尔特·佩特斯(Walter Pettus)说。“但研究它们也是最令人沮丧的，因为我们对它们了解很多，但我们还有很多空白。”
纳菲Fuad。来源:印第安纳大学
马约拉纳演示器(Majorana Demonstrator)由来自24个机构的60名研究人员合作，旨在同时填补这些空白，探索中微子的最基本性质。
他们希望观察到的一个方面是中微子是否能成为自己的反粒子——一种质量相同但电荷相反的亚原子粒子。由于中微子不带电，它是宇宙中唯一可以成为自己反粒子的粒子。了解了这一点，我们就能深入了解为什么中微子首先具有质量——这些信息将对理解宇宙是如何形成的产生广泛的影响。
为了确定中微子是否是它自己的反粒子，研究人员需要观察一种罕见的现象，称为中微子双衰变。然而，这个过程需要一个原子至少1026年——比宇宙的年龄要长得多。相反，他们选择在六年的时间里观察近1026个原子。
为了观察这种罕见的衰变，研究人员需要完美的环境。在南达科他州布莱克山的桑福德地下研究中心，位于地下一英里处，他们建造了地球上最干净、最安静的环境之一。极其敏感的探测器由高纯度锗制成，包裹在一个50吨重的铅屏蔽层中，周围环绕着前所未有的清洁材料。甚至所用的铜都是在他们实验室的地下种植的，杂质含量低到无法测量。
Pettus和一组印第安纳大学的学生主要负责分析实验数据。研究生Nafis Fuad，大四学生Isaac Baker，大二学生Abby Kickbush和本科生研究经验项目的学生Jennifer James都参与了这个项目。他们的重点是了解实验的稳定性，分析记录波形的细节，以及描述背景。
沃尔特转身。来源:印第安纳大学
福阿德说:“这就像在一个非常非常大的干草堆里寻找一根小针——你必须小心翼翼地把所有可能的干草堆(也就是背景)去掉，你甚至不知道里面是否真的有一根针。”“能参与到这项研究中来，我感到非常兴奋。”
虽然研究人员最终没有观察到他们所希望的衰变，但他们确实发现中微子的衰变尺度比他们设定的极限要长，他们将在实验的下一阶段进一步测试。此外，他们还记录了其他科学结果——从暗物质到量子力学——这些结果有助于更好地理解宇宙。
通过这个项目，研究人员证明，他们使用的技术可以在更大的范围内使用，这可能会改变游戏规则，有助于解释宇宙中物质的存在。
“我们没有看到我们所寻找的衰变，但我们已经提高了在哪里寻找我们所追求的物理的标准，”Pettus说。“正如它的名字，示范者先进的关键技术，我们已经利用在意大利的下一阶段的实验。我们可能还没有打破我们的物理图景，但我们肯定已经推动了视野，我对我们所取得的成就感到非常兴奋。”
该项目的下一阶段被称为LEGEND-200，已经开始在意大利收集数据，计划在未来五年内运行。研究人员的目标是以比马约拉纳演示器更高的灵敏度观察衰变的发生。除此之外，由于美国能源部的支持，该团队已经在设计后续实验，LEGEND-1000。
Pettus对这项工作的未来感到兴奋，并期待让更多的学生参与到这个项目中来，包括数据分析和LEGEND-1000的硬件开发。
佩图斯说:“如果我们发现中微子是它自己的反粒子，我们脚下的土地和天上的星星仍然存在，我们对物理学的理解不会改变物理定律的现实，这些定律一直并将继续支配着我们的宇宙。”“但是，从最基本的层面上了解宇宙是如何运作的，会让我们生活在一个更丰富、更美丽的世界——或者可能只是更奇怪——这种追求是人类的本质。”
参考文献:《马约拉纳验证器在76Ge中寻找中微子双β衰变的最终结果》Arnquist et al. (Majorana Collaboration)， 2023年2月10日，Physical Review Letters。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.062501
马约拉纳演示器是由橡树岭国家实验室为美国能源部核物理办公室管理的，得到了国家科学基金会的支持。
