马约拉纳演示器的内部探测器被描绘在实验的巨大铜和铅屏蔽内。 资料来源：尼克哈伯德

  近六年来，马约拉纳演示者静静地倾听着宇宙的声音。在南达科他州利德市桑福德地下研究设施（SURF）地下近一英里处，该实验收集的数据可以回答物理学中最令人困惑的问题之一：为什么宇宙充满了某种东西而不是什么都没有？

  2023 年 2 月 10 日，马约拉纳合作组织在《物理评论快报》上发表了他们的最终结果。该实验从2015年持续到2021年，由橡树岭国家实验室（ORNL）在美国能源部核物理办公室管理，并得到国家科学基金会的支持。

  最终结果证明，合作使用的技术可以在更大的范围内部署，以寻找罕见的，从未见过的衰变，这可能有助于解释我们宇宙中物质的存在。

  “马约拉纳演示器的目的是证明我们的探测器设计和技术足够先进，足以证明创建一个吨级实验是合理的，”马约拉纳合作的联合发言人Vincente Guiseppe说。“这篇论文 - 六年数据的高潮和马约拉纳者的最终决定 - 证明我们已经实现了我们的目标。

  “SDSTA祝贺Majorana合作取得这一重大成就，”运营SURF的南达科他州科学技术局执行主任Mike Headley说。“马约拉纳演示器是SURF最初实验套件的一部分，这一最终结果反映了我们为SURF实验提供的世界级设施和特殊支持。

  马约拉纳论证器与粒子物理学中最大的悬而未决的问题之一有关：“为什么物质存在于宇宙中，而我们对物理学的了解却说它不应该存在？”

  根据理论，大爆炸应该创造了同等部分的物质和反物质——这些物质在相遇时会湮灭，除了纯粹的能量和理论上的空洞宇宙之外，什么都没有留下。尽管有这样的预测，我们发现自己置身于一个充满物质的宇宙中。自然界的某种未知的、隐藏的规则一定使天平倾斜，有利于物质。

  一个主要的假设预测，被称为中微子的幽灵般的亚原子粒子曾经有超重的伙伴，它们在早期宇宙中的衰变导致了我们今天看到的物质和反物质的不平衡。这一假设还预测中微子可以作为自己的反粒子（也称为“马约拉纳粒子”）。如果观察到这种奇怪的特征，它可以支持该假设并解决这个谜团。

  “马约拉纳粒子是与其反物质伙伴无法区分的粒子。这使它与所有其他粒子区分开来，“Guiseppe说。“通过马约拉纳演示器，我们正在寻找这种粒子来诱导一种罕见的事件，称为无中微子双β衰变。

  这种提议的衰变有多罕见？要在两个原子中观察它，你必须等待超过1，026年。

  “如果我们只观察一个原子，焦急地等待它衰变，我们将不得不观察它的时间比宇宙的年龄还要长。为了赢得这场比赛，我们必须增加我们正在观看的质量，“吉塞普说。

  研究人员知道他们不太可能在马约拉纳演示器中检测到质量的无中微子双β衰变。此次合作是与其他当前一代实验的全球竞争，以展示他们的探测器设计和技术，并确保竞标扩大的下一代实验。

  2010年，南达科他州矿山化学家卡博特-安·克里斯托弗森（Cabot-Ann Christofferson）与马约拉纳演示者（Majorana Demonstrator）一起将她的前照灯扫过地下近一英里的漂流，看着尘埃在光束中飘荡。地面上沾满了泥泞，空气温暖，潮湿。她想知道，“这怎么会成为我们需要的实验室？

  由于合作寻求的信号非常微弱，他们的探测器必须在SURF建造，那里4，850英尺的岩石可以保护探测器免受不必要的“背景噪音”的影响，例如地球表面的宇宙射线。

  马约拉纳演示器的内部探测器由30公斤的富集锗同位素组成，由超纯铜串悬挂并包裹在过冷低温恒温器容器中。这个内部探测器隐藏在进一步的屏蔽层后面，包括一层108，000磅（54吨）的铅。这种结构将在每立方英尺只有 100 个灰尘颗粒的洁净室中进行。由于马约拉纳演示器的灵敏度，即使是几粒灰尘或一颗人类汗珠也会产生足够的背景辐射，使探测器无法使用。

  SURF的工作人员的任务是将前矿山及其百年历史的基础设施改造成美国最深的地下科学实验室，能够满足现代研究的高标准。而且标准确实很高。

  但SURF为实验的成功做出了投资;由科学家、工程师和基础设施技术人员组成的团队与合作密切合作，为实验创造了一个量身定制的空间。“设施设计的每一个细节都反映了实验满足其科学目标所需的清洁协议和环境，”SURF科学总监Jaret Heise说。

  地板经过加固以承受沉重的铅盾的重量。混凝土地板是一次性浇筑的，确保没有接缝会干扰用于在洁净室周围运输探测器模块的气垫船。粗糙的岩壁上覆盖着喷射混凝土，表面光滑，便于清洁。

  “马约拉纳洁净室是SURF最干净的实验室空间，”Heise说，并指出实验室的清洁协议是由洁净室操作的世界专家告知的。“在这个实验室里，你必须根据详细的过程进行清洁，而不是任何视觉提示，因为你经常在清洁看不见的污垢。

  随着洞穴建设的进行，合作开始了一个艰苦的过程，这个过程将被证明是实验成功的标志：电铸世界上最纯净的铜。

  克里斯托弗森说：“我们与其他实验进行了全球竞争，没有时间可以浪费，所以我们开始在4850层的临时洁净室中进行电铸，然后建造我们的永久洞穴。

  电铸是一个非常缓慢的过程，其中铜块首先溶解在超纯硫酸的“浴”中。电流将铜逐个离子拉到金属圆柱体的表面上。这个过程以每月一毫米的速度慢慢形成一层精致纯净的铜，留下任何微量杂质。

  “电铸过程产生了如此纯的铜 - 一个带有如此多尾随九的百分比 - 在2011年实验开始时甚至无法测量纯度，”克里斯托弗森说。“今天，技术已经进步，我们可以测量纯度到千万亿分之一。

  在五年多的时间里，种植了五千多磅的铜，然后在地下机械车间使用专用工具加工成探测器组件。

  到2015年，这个洞穴已经无法辨认了：探测器被密封在一个明亮的白墙实验室里，被密封在一个城堡般的铅砖堡垒后面，默默地接收数据。

  尽管如此，问题仍然挥之不去。他们的努力是否足以消除背景噪音？这个新的地下实验室能否支持世界一流的科学？随着2017年第一批结果的发布，答案随之而来。

  虽然它没有检测到粒子衰变，但马约拉纳演示器证明了一个放大的实验 - 一个超过其大小33倍的实验 - 可能能够做到这一点。

  “我们创造了一个如此干净和纯净的环境，以至于我们在初始数据中没有看到任何由背景引起的候选事件，”Guiseppe在发布第一批结果时说。我们需要继续操作演示器，以研究其性能并更好地估计背景。

  “尽管我们的目标是尽可能少的事件，但我们实际上有数百TB的数据需要分析，”Majorana的分析协调员，北卡罗来纳大学（UNC）教堂山分校的博士后Ian Guinn说。“我们必须微调我们的分析技术，以区分不同类型的信号，消除过程中的错误，并确保我们的流程在五年的数据获取中是可靠的。这是一个很大的挑战。

  马约拉纳演示器的锗晶体悬挂在SURF 4850层洁净室的手套箱中。资料来源：尼克哈伯德

  有了这组丰富的数据，合作进行了多任务处理，将奇异的暗物质搜索添加到他们的曲目中，以及搜索粒子物理学标准模型之外的可能相互作用。该合作发表了 27 篇科学文章，其中包括 2022 年的 6 篇和 2023 年迄今为止的 3 篇，预计还会有更多论文。

  马约拉纳演示器还为数十名本科生和超过25名博士候选人提供了一个环境，以获得世界领先实验的设计，建造和分析经验。

  “马约拉纳一直是一代杰出年轻物理学家的培训基地，”该实验的首席研究员兼UNC-Chapel Hill物理学教授John Wilkerson说。“我认为我们的学生和博士后能够在地下工作的经历线名南达科他州大学生直接参与了实验。

  “来自南达科他州农村的学生与世界知名科学家一起工作，”克里斯托弗森说。“没有这样的实验室，学生将无法接触到这种水平的大规模科学。

  马约拉纳演示器于 2021 年完成了科学运行。在他们最近的出版物中概述的合作胜利包括世界领先的能量分辨率，并确认锗-76中无中微子双β衰变的半衰期大于8.3×1，025年 - 这是宇宙年龄的一百多亿倍。

  在意大利亚平宁山脉下，格兰萨索国家实验室（LNGS）的研究人员也在研究无中微子双β衰变，采用与GERDA（GERmanium探测器阵列）略有不同的方法。这两个实验共同实现了世界上任何无中微子双β衰变实验中最低的背景。现在，两者正在联手扩大规模。

  “这两个实验都采用了不同的方法来进行相同的搜索，”Guinn说。“通过结合每个想法中被证明是最好的想法，我们可以创建一个更敏感的实验。

  下一代实验名为LEGEND（无中微子bb衰变的大型富集锗实验），最终将使用一公吨富集锗进行搜索。通过指数级放大，LEGEND可能能够强硬地武装中微子，让他们露出手。

  “当我们开始这个项目时，存在许多风险，无法保证我们能够实现我们的目标，因为我们正在推进未开发的领域，”威尔克森说。“今天，我们离理解宇宙中的不平衡以及我们为什么存在又近了一步。

  原标题：《『有点搞笑！寻找超幽灵粒子的马约拉纳费米子探测器正式退役并发表最终科研结果》