 Modern Physics 现代物理, 2011, 1, 28-29 http://dx.doi.org/10.12677/mp.2011.11004 Published Online May 2011 (http://www.hanspub.org/journal/mp/) Copyright © 2011 Hanspub MP The Small Underground Experiment of Baryon Number Conservation Ruiguang Wang, Changjiang Dai Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing Email: wangrg@mail.ihep.ac.cn Received: Mar. 12th, 2011; revised: Apr. 13th, 2011; accepted: Apr. 15th, 2011. Abstract: The baryon numbers are conserved in the Standard Model. However, the baryon-number conserva- tion is violated in the Grand unified theory. The experimental status of some small underground experiments of baryon number conservation is introduced in this paper. A few improvements of experimental methods and techniques are proposed and discussed. Keywords: Proton decay; Decay lifetime; Baryon-number Conservation; Detector 小型地下重子数守恒实验 王瑞光，戴长江 中国科学院高能物理研究所，北京 Email: wangrg@mail.ihep.ac.cn 收稿日期：2011年3月12 日；修回日期：2011年4月13 日；录用日期：2011年4月15 日 摘 要：在标准模型中重子数是守恒的，而大统一理论则预言质子衰变，重子数守恒将被破坏。本文简 要介绍研究原子核中核子衰变的小型地下实验，并在探测方法、技术的改进等方面提出了一些新的想法。 关键词：质子衰变；衰变寿命；重子数守恒；探测器 1. 引言 在标准模型中重子数是守恒的，而大统一理论则 预言质子衰变，重子数守恒将被破坏[1-4]。几十年来许 多国际合作组建造大型实验装置，从不同角度对这一 问题开展探测研究。有关重子数破坏的最新进展状况 作者在文献[5]中已作了较详细介绍。本文集中讨论利 用小型地下实验装置研究原子核中核子衰变到不可见 通道的模式。 鉴于质子的衰变寿命很长，其下限大于 1023 年[6]。 因此，通过观测原子核中核子衰变为不可见通道，如 中微子通道的模式来研究质子衰变必须使用大规模探 测器或超大规模探测器。这些实验所需要的经费是非 常庞大的。近年来，由于地下低本底实验技术取得了 长足进步，可以采用地下小型实验装置研究原子核中 核子衰变到不可见通道的模式。这些实验装置规模小、 较经济，也可获得较好的结果。 2. 实验现状 国际上已经开展了一些地下小型实验探测原子核 中核子的衰变，典型的如 DAMA 实验[7]、Borxino test facility 实验[8]。这些实验主要观测原子核中核子衰变 到不可见的通道。由于实验探测的是子核衰变时放出 的射线，探测效率高，所以能以较小的实验装置获取 较好的结果。如DAMA/LXe 实验采用 6.5 公斤的液态 氙闪烁探测器探测 129Xe 核的核子衰变，通过对母核 129Xe 衰变后的子核128I的再衰变产物的探测，在总曝  王瑞光等 小型地下重子数守恒实验29 | 光量为 2258 kgdays时，给出核子的衰变寿命下限：τ (p-invisible) > 1.9 1024 yr (90% C.L.)。同时，该实验 也获得：τ (pp-invisible) > 5.51023 yr (90% C.L.)和τ (nn-invisible) > 1.2 1025 yr (90% C.L.)。又如 Borxino test facility实验采用 4.2 吨的 C16H18 液体闪烁探测器 探测 12C核的核子衰变，也给出了核中核子衰变寿命 的新下限。 3. 实验技术 采用地下小型实验装置研究核中核子衰变，应该 把握如下几个关键技术。第一，要尽量采用源器合一， 提高探测灵敏度。即探测器探测物质和衰变源是同一 种物质元素，而且这种待测核的同位素丰度要足够高。 第二，尽可能利用子核伴随衰变放出的电子和光子作 符合测量，来鉴别信号真伪，提高信噪比。第三，尽 量在宇宙线本底极低的地下实验室运行实验，实验室 越深越好。同时，结合主动、被动屏蔽措施最大限度 地降低本底，进一步提高测量精度和灵敏度。 下面，用 CsI(Tl)晶体探测器说明探测原理。探测 器中 133Cs 核既是探测物质也是核子衰变源。以Cs 核 中的中子衰变过程为例， 133Cs 中某个中子衰变后变成 子核 132Cs，且中子消失(即中子衰变到不可见通道)。 此衰变过程的子核132Cs 具有较多的退激和衰变方式。 为了实验的方便，可以选择 132Cs beta 衰变到激活态并 放出能量为 1.0315 MeV 的光子和最大能量为 1.28 MeV 的电子作符合测量提取真实信号。此外，需要尽 可能消除来自于探测器内部和外部的实验本底。外部 本底大致有两个来源：一是宇宙线直接干扰，二是探 测器周围环境辐射。选择在深层地下(高山下、矿井内 或海底)运行实验，利用岩石土层或海水来减少宇宙射 线本底。对于环境辐射，可以采用屏蔽手段(如加铜 + 铅 + 镉罩等措施)，屏蔽周围的 beta、gamma射线和 中子。探测器内部本底主要来自于探测器 CsI(Tl)晶体 中U/Th 系列如238U、232Th 等的放射性，因此需要对 探测器的原材料进行多次化学物理处理，使 U/Th 含 量达到可接受的程度。DAMA-Roma 实验组现在使用 的NaI(Tl)晶体的放射性纯度已达到：U/Th 的含量 12 210 g g ， 39K的含量 8 510 g g 。就目前的 提纯技术提纯 CsI(Tl)晶体达到同样的纯度，应该是 没有问题的。这样经过多重被动屏蔽，再加上利用 muon 计数器作反符合的主动屏蔽，就可以显著地 降低本底，提高测量精度，达到研究重子数守恒的 实验要求。 4. 前景展望 利用地下小型实验装置研究原子核中核子衰变， 是近十年发展起来的新型实验手段。它实验规模小、 装置相对简单经济。如果能合理巧妙的运用好实验技 术，可望取得大型实验所能取得的同样好的结果。这 对于早日验证重子数是否守恒、检验标准模型和探索 大统一理论所预言的新物理都具有重要意义。 5. 致谢 作者诚挚地感谢毕效军研究员在百忙中认真研读 全文，并在文字表述方面作了多处修改。国家自然科 学基金资助项目(批准号：10775144)。 参考文献 (References) [1] J. C. Pati. Nucleon decays into lepton + lepton + antilepton + mesons within SU(4) of color. Phys. Rev. D, 1984, 29(7): 1549-1552. [2] J. C. Pati, A. Salam. Is baryon number conserved?. Phys. Rev. Lett., 1973, 31(10): 661-664. [3] G. Feinberg, M. Goldhaber and G. Steigman. Multiplicative baryon-number conservation and the oscillation of hydrogen into antihydrogen. Phys. Rev. D, 1978, 18(5): 1602-1606. [4] M. Goldhaber, P. Langacker and R. Slansky. Is the proton stable?. Science, 1980, 210(4472): 851-860. [5] R. G. Wang, C. J. Dai. The experimental status of nucleon decays, Physics, 2011, 40(3): 177-181. [6] I. Masina, C. A. Savoy. Heavy triplets: electric dipole moments vs. proton decay. Phys. Lett. B, 2004, 579(1-2): 99-108. [7] R. Bernabei, M. Amato, and P. Belli et al. Search for the nucleon and di-nucleon decay into invisible channels. Phys. Lett. B, 2000, 493(1-2): 12-18. [8] H. O. Back et al. Behalf on Borexino collaboration, New limits on nucleon decays into invisible channels with the BOREXINO Counting Test Facility. Phys. Lett. B, 2003, 563(1-2): 23-34. Copyright © 2011 Hanspub MP |