1937年，意大利天才物理学家马约拉纳提出了“马约拉纳中微子”理论，即中微子就是自身的反粒子。马约拉纳中微子的实验判据是一种极其稀有的原子核衰变——核内两个中子同时衰变成两个质子且不发射中微子的过程，也被称为“无中微子双贝塔衰变”。近90年来，尽管这一衰变尚未被发现，但它不断激励着全球科学家在极深的地下实验室中进行越来越灵敏的搜寻。要可靠识别这种衰变，首先需要对伴随两个中微子发射的双贝塔衰变的能谱形状和半衰期进行高精度测量。双中微子双贝塔衰变属于被大幅抑制的二阶弱衰变，其精确测量本身就极具挑战性。
近日，PandaX合作组依托中国锦屏地下实验室的 PandaX-4T 吨级自然氙探测器，完成了迄今对氙-136 双中微子双贝塔衰变能谱最系统、最精确的实验研究，并获得了当前国际上精度最高的半衰期测量结果。相关成果已于2026年4月21日发表在国际顶级物理学期刊《物理评论快报》（PRL）。这是我国本土实验对氙-136衰变研究发表的第一篇PRL文章。
PandaX 师生在探测器前面的合影
氙-136 是无中微子双贝塔衰变最重要的候选核素之一。氙-136 在自然氙中的丰度约为 8.9%，国际上 KamLAND-Zen、EXO-200/nEXO 等实验均采用高成本的富集同位素开展研究。而当探测器规模达到吨级时，自然氙体系即可实现高精度测量，从而提供一条具有成本优势且可规模化扩展的新路径。在本研究工作中，PandaX-4T 凭借其大质量、低本底和宽能区覆盖能力，测得氙-136 双中微子双贝塔衰变半衰期为(2.14±0.05)×1021年——相当于宇宙年龄的1500亿倍！PandaX测量的精度仅为2.3%，成为全球最精确的测量结果，优于 KamLAND-Zen 和 EXO-200 等国际主流富集氙实验。该成果充分体现了 PandaX实验在无需氙同位素富集情况下，可以同时开展前沿暗物质和中微子研究的巨大潜力。
精确测量双贝塔衰变的能谱具有重要的科学意义。由于原子核是一个极其复杂的强相互作用多体系统，对衰变核矩阵元的计算存在很大的不确定性。通过研究衰变的能谱形变，本研究提供了对原子核高阶矩阵元贡献的直接测量，可以用来“校准”衰变核矩阵元的计算结果。此外，超出标准模型的理论预言了“马约拉纳子”可以在双贝塔衰变中产生。本研究对“马约拉纳子”进行了系统搜寻，并对谱指数为7的衰变模式给出了当前国际上最严格的约束，为探索新物理提供了重要参考。
在 PandaX-4T 探测器中心最干净的部分，氙-136 的双中微子双贝塔衰变占据主导
PandaX合作组由上海交通大学发起并主导，合作单位包括复旦大学、山东大学、北京大学、中国科学技术大学、中山大学、北京航空航天大学、南开大学、原子能科学研究院以及雅砻江流域水电开发有限公司（雅砻江水电）等。PandaX实验得到教育部、上海交通大学、以及合作组单位的长期支持，国家自然科学基金委、科技部、上海市、四川省、香港鸿文基金会、新基石科学基金、腾讯基金会和阳阳发展基金对本项目有重要资助。本研究工作得到了中国锦屏地下实验室的大力协助。
复旦大学现代物理研究所马余刚院士领导的核物理团队为最早参加PandaX合作组的团队之一，多年来参与了PandaX实验的低本底测量、实验运行与数据分析等工作。核物理团队的博士研究生苑哲为该研究成果的第一作者。
论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/v4c6-h6l6
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