尧江明教授课题组提出全新方法约束无中微子双贝塔衰变核矩阵元

近日，中山大学物理与天文学院尧江明教授课题组与欧洲核子研究中心（CERN）Giuliano Giacalone博士合作，在探索无中微子双贝塔衰变的理论研究中取得新进展。团队提出了一种全新的方法：通过高能核碰撞实验中强子动量相关性，间接约束候选核的核矩阵元（NME），为降低其不确定性提供新的研究方向。该研究成果以Benchmarking Nuclear Matrix Elements of 0νββ Decay with High-Energy Nuclear Collisions为题于2025年7月8日在国际著名期刊Physical Review Letters上在线发表。我院理论物理团队2023级硕士生李义为第一作者，尧江明教授以及Giuliano Giacalone博士是该论文的共同通讯作者。

无中微子双贝塔衰变是目前粒子物理与核物理研究领域的科学前沿，是可能突破粒子物理标准模型的重要研究方向之一 。如果实验上观测到无中微子双贝塔衰变，将提供违反轻子数的直接证据，同时表明中微子是马约拉纳粒子，有助于理解宇宙中正反物质不对称之谜。其中，NME是连接半衰期与中微子质量的关键“桥梁” ，其数值大小直接决定衰变的快慢，并影响提取中微子质量的精度。然而，不同核理论模型对NME的预测相差三倍甚至更多，对设计以及解释无中微子双贝塔衰变实验带来很大的不确定性。因此，降低候选原子核衰变NME的不确定性是亟需解决的关键科学问题之一。其中，探索NME与其他实验观测量之间的关联性为约束并减少其不确定性提供了具有前景的途径。

图：无中微子双贝塔衰变矩阵元与重离子碰撞观测量之间的关联性

在该研究工作中，课题组以150Nd→150Sm衰变为例，首次将贝叶斯核结构分析与高能150Nd+150Nd重离子碰撞模拟结合，系统探讨了碰撞碎片的动量相关性与NME之间的潜在联系。研究发现，NME与高能碰撞中形成的夸克-胶子等离子体（QGP）的空间梯度、各向异性等宏观性质呈现出显著相关性。而这些QGP性质可以通过当前重离子对撞实验中的集体流测量直接获取。这一发现不仅为传统低能核结构研究提供了全新的高能“参照标尺”，也为未来通过高能对撞实验反向约束无中微子双贝塔衰变理论提供了强有力的可能性。研究成果开辟了连接高能核碰撞与低能弱衰变过程的新路径，有望为中微子质量的确定及新物理的探索提供理论支撑。

上述工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金以及中山大学中青年杰出人才“百人计划”资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/zymp-tyjj  

尧江明教授简介：https://spa.sysu.edu.cn/zh-hans/teacher/117