無中微子雙貝塔衰變物理和關(guān)鍵探測技術(shù)研究專項項目指南

1、“無中微子雙貝塔衰變物理和關(guān)鍵探測技術(shù)研究”專項項目指南中微子物理是當(dāng)前粒子物理和核物理領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)前沿，是可能突破粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的重要研究方向。中微子物理的前沿科學(xué)目標(biāo)之一是確定中微子和反中微子粒子是否是同一種粒子。如果它們是同一種粒子，則中微子是馬約拉納（Majorana）粒子，反之則是狄拉克（Dirac）粒子。實驗測量無中微子雙貝塔衰變（0）是確定中微子Majorana屬性的唯一途徑。國際上多個國家正在競相開展0實驗研究，采用的技術(shù)方案包括高純鍺探測器，低溫晶體量熱器，液氙時間投影室，高壓氣體時間投影室，液體閃爍體等。國家自然科學(xué)基金委數(shù)學(xué)物理科學(xué)部現(xiàn)啟動“無中微子雙貝塔衰變物理和關(guān)鍵

2、探測技術(shù)研究”專項項目，將利用中國錦屏地下實驗室和江門中微子實驗“得天獨(dú)厚”的平臺優(yōu)勢，開展無中微子雙貝塔衰變物理和關(guān)鍵探測技術(shù)研究。一、科學(xué)目標(biāo)本專項項目重點(diǎn)針對未來無中微子雙貝塔衰變實驗，對具有普適性的關(guān)鍵技術(shù)問題和理論課題開展深入研究，爭取在富集100Mo原料提純、基于富集100Mo原料研發(fā)鉬酸鋰晶體探測技術(shù)及配套極低溫光電信號讀出電子學(xué)技術(shù)、低能區(qū)粒子鑒別和能量刻度技術(shù)、摻碲液體閃爍體探測技術(shù)等方向取得重要突破，掌握下一代實驗實現(xiàn)10meV甚至meV量級中微子有效質(zhì)量測量靈敏度的關(guān)鍵技術(shù)，為建設(shè)具有國際競爭力的無中微子雙貝塔衰變大型實驗裝置提供技術(shù)支撐和培養(yǎng)科研隊伍。二、核心科學(xué)問題無

3、中微子雙貝塔衰變物理的理論研究；高純度富集鉬酸鋰晶體研制和富集原料提純技術(shù)；新型TES光熱探測讀出系統(tǒng)研制和壓低雙中微子雙貝塔衰變的本底效應(yīng)；能量刻度技術(shù)研發(fā)和新物理探索；摻碲液體閃爍體探測技術(shù)。三、擬資助研究方向和研究內(nèi)容（一）無中微子雙貝塔衰變物理的理論研究（申請代碼1選擇A27下屬代碼）配合中國錦屏地下實驗室和江門中微子實驗的無中微子雙貝塔衰變實驗規(guī)劃，建立和發(fā)展相對論多體理論等微觀核物理模型，研究無中微子雙貝塔衰變相關(guān)的多體關(guān)聯(lián)效應(yīng)、相對論效應(yīng)、形變效應(yīng)、夸克層次的物理機(jī)制以及中微子混合效應(yīng)等，探索機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)在核矩陣元計算中的應(yīng)用，提升無中微子雙貝塔衰變核矩陣元的計算精度，針對國

4、際國內(nèi)重點(diǎn)研究的無中微子雙貝塔衰變候選原子核，給出可靠的無中微子雙貝塔衰變核矩陣元及其不確定度，結(jié)合中微子實驗結(jié)果限制新物理貢獻(xiàn)的參數(shù)空間，為實驗研究提供理論支持。（二）高純度富集鉬酸鋰晶體研制和富集原料提純技術(shù)（申請代碼1選擇A28下屬代碼）低溫晶體量熱器是探索無中微子雙貝塔衰變的具有優(yōu)異性能的探測器。高純鉬酸鋰晶體是新型光熱雙讀出晶體量熱器的核心靶材料。針對制備高純度富集鉬酸鋰晶體的要求，研發(fā)基于離心機(jī)同位素分離獲得的富集100Mo原料提純和樣品檢測技術(shù)，探索富集晶體生長過程中保持雙貝塔衰變有效同位素豐度和分布均一性方法，探索富集原料在晶體生長過程中的利用率提高方法，研發(fā)基于區(qū)熔法技術(shù)的富

5、集原料回收和再利用技術(shù)。確立滿足大型無中微子雙貝塔衰變實驗要求的高純富集鉬酸鋰晶體生長的核心技術(shù)，并能夠有效控制探測器所需晶體的成本。（三）新型TES光熱探測讀出系統(tǒng)研制和壓低雙中微子雙貝塔衰變的本底效應(yīng)（申請代碼1選擇A28下屬代碼）在新一代無中微子雙貝塔衰變大型鉬酸鋰閃爍晶體量熱器實驗中，由雙中微子雙貝塔衰變形成的本底將成為靈敏度的極限，需要提升溫度傳感器的時間響應(yīng)來壓低。超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊沿傳感器（TES）讀出時間響應(yīng)較快，已經(jīng)在前沿天體物理和宇宙學(xué)實驗的光熱測量中得到廣泛應(yīng)用，有可能成為新一代晶體量熱器實驗的溫度傳感器的理想技術(shù)。研究具有高能量分辨率、高時間分辨率和易于大規(guī)模讀出的光信號和熱信

6、號探測技術(shù)是關(guān)鍵。探索熱信號在探測器內(nèi)部以及探測器與晶體靶和冷端耦合間的傳導(dǎo)規(guī)律、動態(tài)穩(wěn)定性和噪聲性能，研究刻蝕形成的半導(dǎo)體基底支撐結(jié)構(gòu)在探測器工作溫度的導(dǎo)熱規(guī)律，研制應(yīng)用于閃爍晶體量熱實驗的，能夠工作在10-20mK溫度區(qū)的基于TES的熱信號探測器和光信號探測器，表征探測器性能并研究優(yōu)化0信號與本底的鑒別方法。針對未來0實驗需求，以總體本底區(qū)分水平為評價標(biāo)準(zhǔn)，確定可實施的技術(shù)方案。（四）能量刻度技術(shù)研發(fā)和新物理探索（申請代碼1選擇A28下屬代碼）確定無中微子雙貝塔衰變實驗的靈敏度需要探測器在信號搜索閾值附近具有非常精準(zhǔn)的能量刻度。為了壓低天然放射性本底的影響，選擇衰變能（Q）遠(yuǎn)高于2615k

7、eV（208Tl特征伽馬線）的雙貝塔衰變元素是非常有效的壓低本底途徑。通常使用的長壽命放射源無法提供刻度所需的高能區(qū)伽馬線。針對實驗高精度低本底的要求，建立鉬酸鋰晶體探測器無中微子雙貝塔衰變信號（Q3034keV）能區(qū)的刻度系統(tǒng)，研制基于放射線束流產(chǎn)生的56Co的收集和制備刻度源，同時發(fā)展應(yīng)用于光探測器刻度的高強(qiáng)度伽馬源激發(fā)材料X射線熒光刻度技術(shù)。在實現(xiàn)整個能區(qū)精準(zhǔn)刻度的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮低溫閃爍晶體量熱器的粒子鑒別能力，優(yōu)化光-熱雙讀出系統(tǒng)，實現(xiàn)低能區(qū)核反沖信號和/本底區(qū)分，壓低低能區(qū)本底，對低質(zhì)量暗物質(zhì)粒子和軸子開展高靈敏度探索。（五）摻碲液體閃爍體探測技術(shù)（申請代碼1選擇A28下屬代碼）依

8、托江門中微子探測器，液體閃爍體技術(shù)能使0核素的靶質(zhì)量達(dá)到百噸量級，有望將中微子有效質(zhì)量靈敏度提高到meV量級，研究高摻雜量、高光產(chǎn)額、高透明度、極低放射性的摻碲液閃是關(guān)鍵。研究可摻入液閃的含碲化合物的合成方法，研究和表征含碲化合物結(jié)構(gòu)對液閃吸光性能、發(fā)光性能及長期穩(wěn)定性的影響規(guī)律，優(yōu)化摻雜物結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高光產(chǎn)額，研究光學(xué)純化方法實現(xiàn)高透明度，發(fā)展放射性純化方法達(dá)到極低本底，研究摻碲液閃中0信號與本底的鑒別方法。針對未來0實驗需求，綜合能量分辨率和本底水平，以有效質(zhì)量靈敏度為評價標(biāo)準(zhǔn)，確定可實施的技術(shù)方案。四、資助計劃本專項項目資助期限為4年，申請書中研究期限應(yīng)填寫“2022年1月1日-2025年1

9、2月31日”。計劃資助5項左右，平均資助強(qiáng)度為200-300萬元/項，資助經(jīng)費(fèi)總強(qiáng)度約為1200萬元。五、申請要求及注意事項（一）申請資格1.具有承擔(dān)基礎(chǔ)研究課題的經(jīng)歷；2.具有高級專業(yè)技術(shù)職務(wù)（職稱）；在站博士后研究人員、正在攻讀研究生學(xué)位以及無工作單位或者所在單位不是依托單位的人員不得作為申請人進(jìn)行申請。（二）限項申請規(guī)定1.本專項項目申請時計入高級專業(yè)技術(shù)職務(wù)（職稱）人員申請和承擔(dān)總數(shù)2項的范圍。2.申請人同年只能申請1項專項項目中的研究項目。3.應(yīng)符合2021年度國家自然科學(xué)基金項目指南中對申請數(shù)量的限制。（三）申請注意事項1.申請書報送日期為2021年11月1日-11月7日16時。2

10、.本專項項目申請書采用在線方式撰寫。對申請人具體要求如下：（1）申請人在填報申請書前，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真閱讀本申請須知、本項目指南和2021年度國家自然科學(xué)基金項目指南的相關(guān)內(nèi)容，不符合項目指南和相關(guān)要求的申請項目不予受理。（2）本專項項目旨在緊密圍繞“無中微子雙貝塔衰變物理和關(guān)鍵探測技術(shù)研究”，集中國內(nèi)優(yōu)勢研究團(tuán)隊進(jìn)行研究，成為一個專項項目群。申請人應(yīng)根據(jù)本專項項目擬解決的具體科學(xué)問題和項目指南公布的擬資助研究方向，自行擬定項目名稱、科學(xué)目標(biāo)、研究內(nèi)容、關(guān)鍵科學(xué)問題、技術(shù)路線和相應(yīng)的研究經(jīng)費(fèi)等。（3）申請人登錄科學(xué)基金網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)/（沒有系統(tǒng)賬號的申請人請向依托單位基金管理聯(lián)系人申請開戶），按照撰寫提

11、綱及相關(guān)要求撰寫申請書。（4）申請書中的資助類別選擇“專項項目”，亞類說明選擇“研究項目”，附注說明選擇“科學(xué)部綜合研究項目”,申請代碼1應(yīng)當(dāng)按照擬資助研究方向后標(biāo)明的代碼要求選擇數(shù)理科學(xué)部相應(yīng)的申請代碼。以上選擇不準(zhǔn)確或未選擇的項目申請將不予受理。（5）請按照“專項項目-研究項目申請書撰寫提綱”撰寫申請書時，請在申請書正文開頭注明“基于無中微子雙貝塔衰變物理和關(guān)鍵探測技術(shù)研究之研究方向：XXX（按照上述5個研究方向之一填寫）”。申請書應(yīng)突出有限目標(biāo)和重點(diǎn)突破，明確對實現(xiàn)本專項項目總體科學(xué)目標(biāo)和解決核心科學(xué)問題的貢獻(xiàn)。如果申請人已經(jīng)承擔(dān)與本專項項目相關(guān)的其他科技計劃項目，應(yīng)當(dāng)在申請書正文的“研

12、究基礎(chǔ)與工作條件”部分論述申請項目與其他相關(guān)項目的區(qū)別與聯(lián)系。3.申請人應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照國家自然科學(xué)基金資助項目資金管理辦法等相關(guān)規(guī)定和國家自然科學(xué)基金項目資金預(yù)算表編制說明的具體要求，按照“目標(biāo)相關(guān)性、政策相符性、經(jīng)濟(jì)合理性”的基本原則，認(rèn)真編制國家自然科學(xué)基金項目預(yù)算表。4.本專項項目采用無紙化申請，申請人完成申請書撰寫后，在線提交電子申請書及附件材料。依托單位只需在線確認(rèn)電子申請書及附件材料，無須報送紙質(zhì)申請書，但應(yīng)對本單位申請人所提交申請材料的真實性和完整性進(jìn)行認(rèn)真審核，在項目申請接收截止時間前通過信息系統(tǒng)逐項確認(rèn)提交本單位電子申請書及附件材料；在申請截止時間后24小時內(nèi)在線提交項目申請清單。項目獲批準(zhǔn)后，依托單位將申請書的紙質(zhì)簽字蓋章頁裝訂在資助項目計劃書最后，在規(guī)定的時間內(nèi)按要求一并提交。5.本專項項目咨詢方式：國家自然科學(xué)基金委員會數(shù)學(xué)物理科學(xué)部綜合