摘要：现代物理学中，暗物质和无中微子双贝塔衰变是两大未解之谜，它们分别指向了宇宙的组成与基本粒子的本质。暗物质占据宇宙总质量的约27%，但其粒子属性仍未被直接观测；无中微子双贝塔衰变则可能揭示中微子是否为马约拉纳粒子（即自身反粒子），从而解释宇宙中物质-反物质不对称
现代物理学中，暗物质和无中微子双贝塔衰变是两大未解之谜，它们分别指向了宇宙的组成与基本粒子的本质。暗物质占据宇宙总质量的约27%，但其粒子属性仍未被直接观测；无中微子双贝塔衰变则可能揭示中微子是否为马约拉纳粒子（即自身反粒子），从而解释宇宙中物质-反物质不对称性的起源。尽管这两个领域的实验目标不同，但它们共享着相似的技术挑战——极低信号的本底抑制、超高灵敏度的探测器设计，以及超越标准模型的理论探索。本文将从实验方法、物理意义和当前进展三方面展开论述，剖析这两大前沿课题的科学内涵与内在关联。
暗物质的存在最早由星系旋转曲线异常提出。观测表明，星系外围恒星的运动速度远超可见物质引力所能束缚的速度，例如银河系边缘的恒星速度约为220 km/s，而根据牛顿引力公式v = sqrt(G*M(r)/r)，若仅考虑可见物质，M(r)随半径r的增大趋于平缓，速度应下降。实际观测曲线却保持平坦，暗示存在不可见的“暗物质晕”。宇宙微波背景辐射（CMB）的各向异性测量进一步支持暗物质占比约为85%的普通物质。然而，暗物质的粒子属性仍是谜团，主流候选者包括弱相互作用大质量粒子（WIMP）、轴子（Axion）和惰性中微子（Sterile Neutrino）等。
直接探测实验通过测量暗物质粒子与原子核的弹性散射信号。假设暗物质粒子质量为m_χ，与核子的相互作用截面为σ，则事件率可近似为R ≈ (ρ_χ * σ * N_T)/(m_χ * m_N) * ∫ v * f(v) dv，其中ρ_χ为本地暗物质密度（约0.3 GeV/cm³），N_T为靶核数目，f(v)为暗物质速度分布。为区分极低能量的核反冲信号（典型能量
间接探测则通过观测暗物质湮灭产物（如伽马射线、正电子、反质子）的过量信号。例如，费米伽马射线空间望远镜对银河系中心区的观测发现，在2-10 GeV能段存在无法用已知天体物理过程解释的过剩伽马辐射。若假设这些信号源于暗物质湮灭（如χχ → b b-bar），则对应暗物质质量约为50 GeV/c²，湮灭截面约为3×10⁻²⁶ cm³/s。然而，脉冲星等天体源也可能贡献类似信号，需结合多信使观测（如AMS-02的正电子谱）进行交叉验证。
双贝塔衰变是原子核中两个中子同时转化为质子并释放两个电子的过程（n → p + e⁻ + ν_e-bar）。在标准模型中，此过程需伴随两个反中微子发射（2νββ），半衰期长达10²⁰-10²⁴年。若中微子是马约拉纳粒子，则可能发生无中微子双贝塔衰变（0νββ），即两个反中微子在核内相互湮灭，仅释放两个电子。该过程的半衰期T_1/2^(0ν)与有效马约拉纳质量m_ββ的关系为：
T_1/2^(0ν)⁻¹ = G_0ν * |M_0ν|² * |m_ββ|²
其中G_0ν为相空间因子，M_0ν为核矩阵元。m_ββ可表示为中微子质量本征态m_i与庞蒂科夫-牧-中川-坂田（PMNS）矩阵元的组合：m_ββ = |Σ U_ei² m_i|。若实验测得T_1/2^(0ν)，即可推算出m_ββ的上限，进而约束中微子的绝对质量标度与质量顺序（Normal/Inverted Hierarchy）。
实验设计的核心挑战在于将本底事件率降至极低水平。以CUORE实验为例，其使用988块TeO₂低温晶体（总质量741 kg），冷却至10 mK以利用声子效应放大信号。Te-130的2νββ半衰期为8.2×10²⁰年，而0νββ的预期信号能量Q_ββ = 2528 keV。通过极端纯净的材料筛选（如铅屏蔽中的²¹⁰Pb含量
另一类实验采用富集同位素的高纯锗探测器（如GERDA和Majorana Demonstrator）。Ge-76的Q_ββ = 2039 keV，其电离信号具有优异的能量分辨率（FWHM≈3 keV）。通过将探测器直接浸入液氩屏蔽层，并利用脉冲形状分析区分单站点事件（0νββ）与多站点本底（如²⁰⁸Tl衰变），GERDA实验在2018年将m_ββ上限推至160-480 meV，排除了部分中微子质量顺序参数空间。
暗物质与0νββ实验共享多项关键技术突破。首先，二者均需超低放射性本底环境。例如，XENONnT和CUORE均使用地下实验室（如意大利格兰萨索实验室）以屏蔽宇宙射线，并通过超纯材料筛选（如电解铜的²²⁶Ra含量
理论层面上，两类实验共同挑战标准模型的边界。若WIMP未被发现，可能暗示暗物质是超轻粒子（如轴子）或存在非热产生机制；若0νββ未被观测到，则中微子可能为狄拉克粒子，或存在轻子数破坏的新物理（如R宇称破缺的超对称）。更深刻的是，暗物质与中微子的属性可能通过“跷跷板机制”（Seesaw Mechanism）关联：若中微子质量源于Type-I跷跷板（m_ν ≈ y² v² / M_R，其中M_R为重马约拉纳粒子质量），则M_R可能接近大统一理论（GUT）能标（10¹⁴-10¹⁵ GeV），而暗物质可能是该能标下的残留粒子。
下一代实验将把灵敏度推向新高度。暗物质探测方面，DARWIN计划采用50吨液氙靶，结合氙中微子相干散射信号的统计分离，有望突破“中微子地板”。0νββ实验则趋向更大规模与更高同位素富集度，如nEXO（5吨富集Xe-136）和LEGEND-1000（1吨富集Ge-76），目标是将m_ββ灵敏度推至15 meV，覆盖中微子质量顺序的全部参数空间。
若未来实验发现确定性信号，将引发粒子物理学的范式革命。暗物质粒子的确认将揭示超越标准模型的新相互作用；而0νββ的观测不仅验证中微子的马约拉纳属性，还将为轻子数不守恒提供首个实验证据，解释宇宙物质优势的起源。若两者均未发现预期信号，则可能迫使物理学家重新审视现有理论框架，例如探索额外维度或量子引力效应。
无论是哪种结果，暗物质与无中微子双贝塔衰变实验都将继续推动人类对宇宙最深层次规律的认知，在寂静的探测器中聆听宇宙的沉默证词。
来源：科学易点
