利用 JUNO 搜寻 $0\nu\beta\beta$ 衰变的物理潜力

在过去几十年中，人们进行了大量搜寻无中微子双贝塔衰变（$0\nu\beta\beta$）过程的实验，旨在确定中微子是否为其自身的反粒子（马约拉纳中微子），但尚未观测到 $0\nu\beta\beta$ 衰变信号。虽然提出了许多新实验，但它们最终都面临一个共同问题：灵敏度可能无法随靶质量无限增加。我们利用江门中微子实验（JUNO）对物理潜力进行了详细分析，可将 $0\nu\beta\beta$ 的灵敏度提高至几 meV 量级，相较于目前规划中的实验迈出了重要一步。JUNO 是一个正在建设中的 20 千吨低本底液闪（LS）探测器，能量分辨率为 3\%/$\sqrt{E \text{(MeV)}}$。在 JUNO 液闪中心区域构建一个充满富集氙气（$^{136}$Xe 含量高达 80\%）并溶解于液闪中的气球是可行的。在 $^{136}$Xe $0\nu\beta\beta$ 衰变的 $Q$ 值处，能量分辨率约为 1.9\%。超低本底是 $0\nu\beta\beta$ 衰变搜寻的关键。我们对来自内禀 $2\nu\beta\beta$ 和 $^{8}$B 太阳中微子、天然放射性以及宇宙成因放射性核素（包括轻同位素和 $^{137}$Xe）的本底率进行了详细研究，并开发了多种缪子否决方案。我们发现，JUNO 有潜力在拥有约 50 吨（5 吨）有效 $^{136}$Xe 且曝光 5 年的情况下，达到 $T^{0\nu\beta\beta}_{1/2}$ 为 $1.8\times10^{28}$ 年（$5.6\times10^{27}$ 年）的灵敏度（90\% 置信水平）；而在 50 吨情形下，对应的有效中微子质量 $m_{\beta\beta}$ 灵敏度可达 (5--12) meV，完全覆盖倒序中微子质量排序的允许区域。