综述：闪烁体在无中微子双贝塔衰变搜索中的应用：技术、现状与展望

《Radiation Measurements》：Scintillators in the search for neutrinoless double-beta decay: Technologies, status, and prospects

　　

无中微子双贝塔衰变（0νββ）是解决标准模型之外物理学和中微子物理基本问题的关键过程。受这些目标驱动，研究人员进行了广泛的研究，产生了一系列日益复杂的实验方法。其中应用最广泛的技术之一是各种形式的闪烁体（scintillators）。闪烁体提供了灵活的探测器配置、高放射性纯度、良好的探测器性能以及可扩展至大质量候选同位素的能力。在许多实验中，闪烁体作为主要探测介质，或与双读出（dual-readout）方案（如光+热或光+电离）结合使用，极大地增强了背景抑制和整体灵敏度。本综述全面概述了用于搜索0νββ的闪烁体技术，讨论了它们的工作原理、主要实验实现以及下一代探测器的前景。

2. 无中微子双贝塔衰变（Neutrinoless double-beta decay, 0νββ）
0νββ过程由Furry于1939年提出，与Goeppert-Mayer在1935年描述的双贝塔衰变（即双中微子双贝塔衰变，2νββ）不同，0νββ要求引入Majorana形式，且该形式可应用于中微子。在0νββ中，无中微子发射，跃迁形式为(A,Z)→(A,Z+2)+2e^?，表现为两单位的轻子数破坏。若观测到0νββ，则表明存在超出标准模型的物理，轻子数非精确对称，并可支持轻子产生宇宙物质-反物质不对称的理论。中微子质量机制是0νββ最重要的解释之一，要求中微子非零质量且为Majorana粒子。中微子质量通过有效Majorana质量m_ββ进入0νββ，该质量项违反轻子数，由PMNS矩阵和Majorana相位参数化。0νββ的振幅正比于m_ββ，衰变宽度（或半衰期倒数）正比于其模方。通过包含相空间因子G^0ν和核矩阵元M^0ν，可得T_1/2^0ν与m_ββ的关系。

3. 搜索0νββ（Search for 0νββ）
实验上，0νββ搜索依赖于探测两个电子的信号。反冲核能量可忽略，两个电子的总动能等于核跃迁释放的总能量（Q值，Q_ββ），该单能峰是主要特征。尽管信号特征明显，但0νββ极其稀有，需在几MeV能量范围内区分天然放射性和2νββ连续谱。选择合适同位素是首要问题，影响背景、探测技术及灵敏度。灵敏度通过半衰期T_1/2^0ν衡量，可转化为m_ββ。实验通常采用源-探测器合一配置，优化能量分辨率。

3.1. 实验灵敏度（Experimental sensitivity）
半衰期由探测到的0νββ衰变数n_ββ、探测效率ε、候选核数N_ββ和测量时间T决定：T_1/2^0ν = (ln2 ε N_ββ / n_ββ) T。在零背景区，灵敏度与暴露量MT线性相关；在有限背景区，灵敏度与背景水平B、能量分辨率Δ相关，按平方根比例缩放。关键实验参数包括质量、测量时间、同位素丰度、背景水平、能量分辨率和探测效率。高性能探测器需具备：优异能量分辨率、时间稳定性和可靠性、大质量（尤其是同位素富集）、以及高效背景抑制。从有限背景到零背景的转变需仔细评估。

4. 现状（Present status）
自1940年代起，0νββ搜索实验持续发展，目前尚无实验观测到该过程，但灵敏度不断提升。当前所有同位素的半衰期下限超过10²²年，最严格者超过10²⁶年（如¹³⁶Xe和⁷⁶Ge）。通过将实验约束转化为m_ββ上限，可比较不同同位素的结果。图示表明，当前实验可探测倒置层级（Inverted Hierarchy）部分区域，下一代实验目标为达到约10 meV，覆盖整个倒置层级区域。

5. 提高灵敏度（Increasing the sensitivity）
多个实验参数可优化：活时间受限于约十年，只能最大化占空比；主动探测器质量、背景水平和能量分辨率是主要优化方向。

5.1. 主动质量（Active mass）
候选核数N_ββ是实验最关键的参数，由探测器质量、化学计量和同位素丰度决定。除¹³⁰Te外，大多数同位素天然丰度过低，需同位素富集。富集成本高但可显著提高信号率。下一代实验需吨级探测器质量且同位素丰度约80%以上。探测效率通过体积限定和拓扑选择等影响有效质量。

5.2. 背景与能量分辨率（Background and energy resolution）
背景水平与能量分辨率紧密相关。2νββ连续谱延伸到Q_ββ，能量分辨率决定能窗宽度，影响背景包含范围。低分辨率会埋没0νββ峰。其他背景来源包括宇宙射线、环境放射性和探测器内部污染。所有实验均在深地下实验室进行，采用多层屏蔽。下一代实验要求背景水平低于10^?4 counts keV^?1 kg^?1 yr^?1，需综合材料纯度、探测器设计和事件表征等策略。

5.3. 未来搜索（Future searches）
未来数十年，中微子学界将致力于更灵敏的0νββ搜索，目标探测中微子质量至约10 meV，实现半衰期灵敏度T_1/2^0ν?10²⁷年。由于同位素采购成本高、实验规模大，未来搜索数量有限，多数为现有实验的升级或联合努力。

6. 用于0νββ的闪烁体（Scintillators for 0νββ）
闪烁体技术是一系列方法的统称，区分固体和液体闪烁体。固体闪烁体（尤其是与热+光双读出结合）提供更好的能量分辨率和探测效率；液体闪烁体（LS）可装载大质量同位素，适合设置排除限。对于¹³⁶Xe，还存在液/气氙时间投影室（TPC）技术。

6.1. 固体闪烁体（Solid scintillators）
闪烁晶体可直接测量闪烁光，但最有效的结果来自与热信号双读出（闪烁量热器），实现事件类型鉴别和背景抑制。

6.1.1. 仅闪烁读出晶体探测器（Scintillation-only readout crystal detectors）
闪烁晶体因同位素选择灵活、易于使用和低背景而备受关注。许多晶体天然包含候选核，可通过脉冲形状分析鉴别α/β事件。阵列结构紧凑，成本较低，适用于大规模实验。

6.1.2. AURORA
AURORA探测器使用两块¹¹⁶CdWO₄晶体（约580 g），富集¹¹⁶Cd。实验在LNGS进行，通过脉冲形状鉴别和时间-幅度选择实现背景水平0.15 counts keV^?1 kg^?1 yr^?1，在35324小时活时后得到T_1/2^0ν > 2.2×10²³ yr。

6.1.3. CANDLES-III
CANDLES-III使用96块CaF₂晶体（总质量305 kg，含约350 g ⁴⁸Ca），位于神冈地下实验室。通过波长移位器和液体闪烁体主动屏蔽，背景水平约10^?3 counts keV^?1 kg^?1 yr^?1，能量分辨率5.7% FWHM，在130.4天活时后得到T_1/2^0ν > 2.7×10²² yr。主要限制是⁴⁸Ca天然丰度极低，富集困难。

6.1.4. 双读出探测器：闪烁量热器（Dual-readout detectors: scintillating bolometers）
闪烁量热器结合闪烁体与量热器的优异能量分辨率，通过热+光双读出实现事件类型鉴别，显著抑制背景。探测器由闪烁晶体耦合到Ge或Si光探测器，均作为低温量热器运行。最先进的努力是CUPID和AMoRE实验，均基于¹⁰⁰Mo同位素和Li₂MoO₄ (LMO)晶体。LMO晶体生长技术已可生产大尺寸、高光学质量的晶体，但需解决钾杂质和镭偏析问题，并优化晶体加工和防潮。

6.1.5. CUPID
CUPID（CUORE升级版）基于CUORE基础设施，使用1596块富集LMO晶体（约250 kg ¹⁰⁰Mo），采用NTD Ge热敏电阻和Ge晶片光探测器，目标背景指数低于10^?4 counts keV^?1 kg^?1 yr^?1，半衰期灵敏度超过10²⁷年。CUPID-Mo和CUPID-0演示验证了阵列可扩展性。

6.1.6. AMoRE
AMoRE（Advanced Mo-based Rare process Experiment）使用423块LMO晶体（95%富集¹⁰⁰Mo，总质量约180 kg），采用金属磁量热器（MMC）读出的热和光信号，预期背景2×10^?4 counts keV^?1 kg^?1 yr^?1，能量分辨率约7 keV，5年灵敏度S_1/2^0ν > 6×10²⁶ yr。AMoRE-I已实现背景约2.5×10^?2 counts keV^?1 kg^?1 yr^?1，半衰期下限2.9×10²⁴ yr。

6.2. 液体闪烁体（Liquid scintillators）
液体闪烁体（LS）探测器具有大体积、低成本、快响应、低放射性污染等优点，可装载候选同位素。装载同位素的LS实验在设置排除限方面非常有效，如KamLAND-Zen和SNO+。

6.2.1. 装载同位素的液体闪烁体探测器（Loaded liquid scintillator detectors）
LS可装载¹³⁶Xe或¹³⁰Te等同位素，通过超低背景和大规模装载实现竞争性半衰期极限。

6.2.2. KamLAND-Zen & KamLAND2-Zen
KamLAND-Zen使用1-kton LS探测器，内球溶解约90%富集¹³⁶Xe，先后装载380 kg和745 kg氙。通过极高放射性纯度，最新结果（Zen400+Zen800，暴露量2.1吨年）给出T_1/2^0ν > 3.8×10²⁶ yr（90% C.L.），对应m_ββ上限28–122 meV。升级版KamLAND2-Zen计划通过提高能量分辨率（从~10% FWHM至~6%）、增加氙质量至约1吨、采用闪烁内球等措施，实现5年灵敏度S_1/2^0ν > 2×10²⁷ yr。

6.2.3. SNO+
SNO+位于SNOLAB，主要搜索¹³⁰Te的0νββ，第一阶段将3900 kg天然碲（0.5%装载）加入780吨LAB+PPO液体闪烁体，计划3年灵敏度约2×10²⁶年；未来阶段将碲装载提高至3%，灵敏度可超过1×10²⁷年。探测器采用丙烯酸容器和9362个PMT，水屏蔽层。

6.2.4. 其他装载同位素的LS实验
其他研究包括ZICOS（装载锆搜索⁹⁶Zr）和XMASS（纯液氙搜索¹³⁶Xe，但需低温）。

6.2.5. LS作为主动屏蔽（LS as active veto）
HPGe探测器实验（如GERDA、LEGEND）使用液氩（LAr）作为冷却剂、屏蔽和闪烁主动反符合，LAr闪烁光通过波长移位后由PMT或SiPM探测。LEGEND-200已设置T_1/2^0ν > 1.9×10²⁶ yr，未来LEGEND-1000目标灵敏度超过10²⁸年，需要背景低于10^?5 counts keV^?1 kg^?1 yr^?1。

6.3. 氙TPC（Xenon TPCs）
氙TPC结合闪烁和电离读出，可提供能量和拓扑信息。高压气氙（HPXe）TPC具有优异能量分辨率（约1% FWHM）和双电子拓扑重建能力；液氙（LXe）TPC可扩展至大质量，但分辨率较低，缺乏拓扑信息。

6.3.1. EXO-200 & nEXO
EXO-200使用LXe TPC（150 kg 80%富集¹³⁶Xe），能量分辨率2.7% FWHM，背景约2 counts keV^?1 kg^?1 yr^?1，最终半衰期极限3.5×10²⁵ yr。nEXO计划使用5吨90%富集氙，通过钡标记技术实现几乎零背景，目标灵敏度S_1/2^0ν > 10²⁸ yr。

6.3.2. NEXT
NEXT基于HPXe TPC，NEXT-White实现~1% FWHM能量分辨率（2.6 MeV）。NEXT-100（~80 kg氙气，13.5 bar）预计背景~10^?3 counts keV^?1 kg^?1 yr^?1，灵敏度>6×10²⁵ yr。未来多吨级升级NEXT-HD计划通过钡标记实现>10²⁷ yr灵敏度。

6.3.3. AXEL
AXEL使用HPXe TPC，采用多像素光子计数器（MPPC）读出电致发光，目标能量分辨率0.7% FWHM，已通过180升原型验证，现正在建造1000升级探测器。

6.3.4. PandaX
PandaX-4T是双相氙TPC（3.7吨天然液氙），首次使用天然氙搜索¹³⁶Xe 0νββ，同位素暴露量44.6 kg年，得T_1/2^0ν > 2.1×10²⁴ yr。未来PandaX-xT计划使用43吨活性靶，10年灵敏度3–6×10²⁷ yr。

6.3.5. XLZD
XLZD是XENON、LUX-ZEPLIN和DARWIN合作的未来双相氙TPC，使用60–80吨天然氙（对应约5–7吨¹³⁶Xe），主要搜索暗物质，同时可进行0νββ搜索，灵敏度可超过10²⁸ yr。

6.4. 新型技术（Novel techniques）
下一代探测器需同时满足可扩展质量、鲁棒操作、低背景和良好能量分辨率。闪烁体可满足部分要求，但尚无单一技术同时满足所有条件。新型技术包括纳米复合闪烁体和混合/不透明闪烁体。

6.4.1. 纳米复合闪烁体（Nanocomposite scintillators）
纳米颗粒分散在基质中可增强光输出、辐射相互作用，降低成本和实现可扩展尺寸。在0νββ研究中，纳米晶体可作为波长移位器或活性组件（含候选同位素）。NuDot实验利用量子点提高光收集效率并分离切伦科夫与闪烁光。纳米晶体闪烁体可提供高光产额、大斯托克斯位移和均匀同位素负载，但需解决长期光学稳定性和放射性纯度问题。

6.4.2. 混合与不透明闪烁体（Hybrid & opaque scintillators）
混合闪烁体同时探测切伦科夫光和闪烁光，通过时间分离实现粒子鉴别。不透明闪烁体通过短散射长度将光限制在产生点附近，保留事件拓扑信息，通过密集光纤阵列读取。LiquidO合作提出利用不透明介质中的事件拓扑搜索双弱衰变，包括双正电子通道。NuDoubt++实验计划结合混合与不透明闪烁体技术，搜索0νβ⁺β⁺，目标能量分辨率2.2%，背景2×10^?5 counts keV^?1 kg^?1 yr^?1。

7. 结论（Conclusions）
0νββ搜索是探索超出标准模型物理和研究中微子性质的关键途径。经过数十年发展，当前半衰期灵敏度已超过10²⁶年。闪烁体在此中扮演核心角色，大部分实验依赖固体或液体闪烁体作为主要探测介质，或采用双读出（闪烁量热器）实现粒子鉴别；氙基探测器同时收集闪烁和电离信号；甚至基于HPGe的实验也使用闪烁体作为主动反符合。技术进步催生了新方法，如改进晶体生长、高可装载液体闪烁体、低温光传感器和量子增强读出。新型闪烁材料和混合探测方案有望改善能量分辨率、放射性纯度和可扩展性，推动下一代实验全面探索倒置层级区域。目标半衰期>10²⁷–10²⁸年要求在吨级质量、多年暴露下实现零背景。闪烁体将继续在全球0νββ搜索中发挥关键作用。