徐东莲团队发表论文“Unambiguously Resolving the Potential Neutrino Magnetic Moment Signal at Large Liquid Scintillator Detectors”，对于XENON1T实验2020年探测到的异常信号，论文提出大型液闪探测器可以明确回答该异常信号是否由中微子磁矩造成。大型液闪探测器和液氙探测器共同测定中微子磁矩的大小或上限，对物理学有重要意义。该论文作为“Editors' Suggestion”于2021年10月27日发表于中国物理快报（Chinese Physics Letters），论文第一作者为李政道研究所博士后研究员叶子平，通讯作者为李政道学者徐东莲。中微子是一种神秘而广泛分布于宇宙中的基本粒子，它对于我们认识世界（原子核、恒星、宇宙演化）十分重要。由于物理学家们只探测到了左手中微子而没有发现右手中微子，粒子物理标准模型认为中微子是没有质量的。然而，大约20年前，日本超级神冈实验SuperK和加拿大雪诺实验SNO发现了中微子振荡现象，确凿地证明了中微子有非零质量。这是一个令人震惊的超出粒子物理标准模型的发现。自发现中微子振荡现象以来，科学家们普遍认为研究中微子性质对粒子物理至关重要。大家自然会问：中微子是否还有除质量之外的其它超越标准模型的性质？特别是对于中微子这样一种电中性的费米子，它是否会有超出标准模型的磁矩？有理论模型指出，根据中微子磁矩对中微子质量的贡献来估算，Dirac中微子的磁矩不会超过~10⁻¹⁴  Bohr magneton，而Majorana中微子则没有这样的限制。如果实验测量发现中微子磁矩超过~10⁻¹⁴  Bohr magneton，将是支持Majorana中微子的强力证据，而Majorana中微子可能是理解宇宙中物质和反物质非对称性的关键。2020年，位于意大利的XENON1T实验公布的结果显示在1-7 keV 能量区间出现了超出已知本底的电子反冲事件，科学家们猜测中微子磁矩可能是其原因，其它的解释包括太阳轴子或不明来源的氚本底。然而，这三种解释的统计置信度不相上下，在目前及下一代的液氙探测器中均难以区分。更巧的是，一些理论模型指出增强的中微子磁矩也能解释Muon g-2合作组最近测量到的缪子反常磁矩信号。解决围绕中微子磁矩的谜团，从而理解XENON1T和Muon g-2实验的异常信号，是粒子物理学当下的一个重要任务。徐东莲团队论文指出，得益于其低能量阈值的特性，大型液闪探测器（万吨级）可在相比于液氙探测器（吨级）稍高的能区，确切地区分出中微子磁矩信号和其它起源的解释（图1），且两者在低能区刚好互补，可联合测定中微子磁矩的大小或上限，为解答新近浮现的中微子增强磁矩谜团提供了新思路。图1：太阳轴子，太阳中微子增强磁矩和氚在液氙和液闪探测器中的事例率。在液氙探测的低能区间（<10 keV），几种信号难以区分；而大型液闪探测器可在>40 keV的干净能区将图中蓝线信号放大万倍从而实现高统计量的确切测量。世界范围内正在建设或规划中的大型液闪探测器有我国主导的JUNO和欧洲主导的LENA实验；液氙暗物质探测器有我国主导的PandaX-4T和美国主导的LZ及XENON1T实验。对于中等程度的C-14辐射本底，JUNO将在运行3年左右即能发现XENON1T实验异常信号所对应的潜在中微子增强磁矩信号（图2）。图2：JUNO和LENA大型液闪探测器在不同浓度的C-14辐射本底下对中微子增强磁矩的发现潜力。江门中微子观测站（Jiangmen Underground Neutrino Observatory，JUNO）位于广东江门市，由两万吨液体闪烁体作为探测介质，2022年建成后将是世界上最大的液闪探测器，主要科学目标是测定中微子的质量顺序，精确测量中微子振荡参数，以及实时监控超新星爆发等天体中微子。江门中微子实验测定中微子质量顺序的关键是要达到 3% @ 1 MeV 的能量分辨率，因此能量和位置的精准刻度至关重要，上海交通大学刘江来教授团队负责江门刻度系统的研制。由徐东莲团队提出并负责的江门多信使触发系统，将探测器阈值降到空前最低的~20 keV，将实现超宽频，自适应、模型无关的天文中微子监测，并能与全球电磁多波段望远镜，引力波探测器等先进天文仪器实时联动观测。 本论文的计算假设应用了江门多信使触发系统所产生的超低能阈数据流。论文原文：http://cpl.iphy.ac.cn/article/10.1088/0256-307X/38/11/111401 本文参考文献与原研究论文的参考文献相同。作者：叶子平、徐东莲

北京时间12月24日，上海交通大学牵头的PandaX合作组在《物理评论快报》以“编辑推荐”论文发表了PandaX-4T四吨级液氙探测实验今年夏天公布的首批暗物质搜寻结果[PRL 127, 261802 (2021)]（PRL文章中仅有约1/6是“编辑推荐”）。上海交通大学物理与天文学院助理教授、李政道研究所平台建设学者孟月为本文的第一作者，物理与天文学院副教授、李政道研究所平台建设学者周宁，中国科学技术大学研究员林箐和北京航空航天大学副教授周小朋为本文的通讯作者。美国物理学会《Physics》以“Tightening the Net on Two Kinds of Dark Matter”评论报道了PandaX-4T和另外一个轴子暗物质实验的最新结果。在过去的10余年中，PandaX合作组在位于四川的锦屏地下实验室里，利用液氙探测器开展了一系列极其稀有信号的寻找，探索宇宙中超出标准模型的新物理现象，包括暗物质、马约拉纳中微子和天体中微子等。银河系中的暗物质可以穿透地球，达到地下实验室，和探测器中的氙原子发生相互作用并产生能量转移，在探测器中以氙原子发光和电离的形式表现出来。PandaX实验不断扫描暗物质参数空间，将探测灵敏度推进了近三个数量级，目前已经深入超对称等理论预言的区域。PandaX探测器处在高纯水屏蔽体的中心PandaX-4T四吨级液氙实验是国际上首个投入运行的多吨级液氙探测实验，国际同类实验还有美国的LZ实验和欧洲的XENON实验。PandaX-4T在2021年上半年试运行的曝光量达到0.63吨-年，比PandaX-II二期实验提高了近2倍。合作组在PandaX-4T探测器中应用了一系列新开发的技术：研制了新一代超大尺寸高透光的时间投影室探测器，大幅提高了探测器电场的均匀性和电子信号放大率，从而实现高分辨率的信号重建；采用了无触发数据读出方式，有效降低了微弱信号的探测阈值；研制了新型低温精馏氙系统，成功提纯6吨原料氙，将放射性杂质氪85的含量比PandaX-II降低了20倍；有效利用液氙自屏蔽并结合多种放射性测量方法和表面清洗工艺，将单位探测靶中放射性本底控制到PandaX-II的20分之一，放射性杂质氡222的含量降低了6倍。通过这些新技术，PandaX-4T首批数据的探测灵敏度较PandaX-II提升了2.6倍，最终给出了大质量暗物质参数空间国际最强的限制。这批数据也显示，在10GeV以下区域，PandaX-4T实验开始触碰到所谓的“中微子地板”，即有可能探测到太阳中核聚变产生的硼8中微子同氙原子核的相干散射信号，这种散射将是未来探测中微子的一个重要途径。周宁副教授作为PandaX实验的副发言人，负责了时间投影室探测器的设计和研制工作，同时是现场实验运行和这次数据分析的负责人，他表示：在2016年第二代PandaX-II实验开始运行后，合作组便开始酝酿第三代的PandaX-4T实验。从2017年开始建设基础设施，到2019年探测器进驻锦屏地下实验室安装，在激烈的国际竞争态势下率先发表科学成果，合作组经历了五年多的持续努力，克服了多种严峻挑战，也得到了上海交通大学的鼎立支持。在疫情时期，PandaX-4T实验广大师生在实验室封闭管理下长期坚守，稳步推进建设，终于在2020年12月完成全部系统的安装和联合调试，进入试运行阶段，共稳定采集了95天的物理数据。PandaX-4T从实验基础设施到探测器均是全新的自研装置，探测器试运行表现良好，充分体现了团队从探测器设计到研制过程中的匠心。随后，数据分析团队连续奋战，通过细致的刻度数据研究，发掘出暗物质信号和本底的特征，构建了信号响应和本底模型，仅用两个多月的时间就完成了首批数据的暗物质搜寻，取得了世界领先的科学成果。 试运行完成后，PandaX-4T开展了对探测器本底的提纯工作，以期提升探测器的灵敏度。另一方面，合作组也在利用首批数据开展马约拉纳中微子等多物理目标的探测。PandaX-4T预计将采集6吨-年曝光量的数据，使得灵敏度将再提升一个数量级，对各种新物理信号给出广泛和确切的检验。PandaX 实验的合作单位包括山东大学、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、复旦大学、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，共有70多位科研工作者参与，美国、法国、西班牙、泰国几家单位也参与国际合作。中国锦屏地下实验室由清华大学和雅砻江水电共同开发、管理，本研究工作得到了锦屏地下实验室的大力协助。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，自然科学基金委、科技部、上海市、四川省、中科院“粒子物理前沿”卓越创新中心、香港鸿文基金会和腾讯基金会都对本项目有重要资助。原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.261802

近日，“海铃计划”探路者项目团队完成各项预定海试任务并安全抵沪。本航次由上海交通大学李政道学者徐东莲担任首席科学家，海洋工程学者田新亮担任领队，共有来自上海交通大学、北京大学、清华大学、中国科学技术大学、自然资源部第二海洋研究所等机构的三十余位科研人员与技术人员共同参与。本次科考为“海铃计划”的后续推进奠定了坚实的基础。“海铃计划”旨在探索建设中国首个深海中微子望远镜，通过捕捉高能天体中微子来探索极端宇宙，构建我国完备的多信使天文网，推动粒子物理、天体物理、地球物理、海洋地理、海洋生物等前沿交叉研究，具备孕育多项原创科学发现的重大潜力。“海铃计划”积极响应习近平总书记在两院院士大会、中国科协第十次全国代表大会上提出的“部署一批前瞻性、战略性、基础前沿性技术研发项目”、“在深海、深空、深地、深蓝等领域积极抢占科技制高点”的号召。“海铃计划”由上海交通大学李政道研究所牵头开展，项目组组长为中国科学院院士景益鹏，首席科学家为李政道学者徐东莲，并邀请在科学与工程各领域中具有丰富经验的两院院士与顶尖科学家担任项目顾问。“海铃计划”中集合了上海交通大学物理、天文、海洋工程、海洋科学、材料、电子信息等学科的前沿研究优势和雄厚的工程能力。中微子天文学的思想起源于1960年马可夫提出的在深海或湖里建造切伦科夫光探测元件阵列的建议；目前在地中海的 Antares/KM3NeT和在贝加尔湖的 Baikal-GVD项目均在策划中，但在海水中建设中微子望远镜难度较高，目前国际上最知名的中微子望远镜冰立方(IceCube)就选择将探测器阵列建在2500米深的南极冰层中。冰立方(IceCube)于2010年建成，目前是世界最大的中微子探测器。2013年，冰立方首次探测到一个来自地外的弥散高能中微子流，叩开了高能中微子天文学的大门；然而，这个中微子流既没有集聚迹象，也没明确地指回任何已知的天体源，这说明地球附近的宇宙中并不存在强烈辐射高能中微子的天体源。若要有效地寻找高能中微子的天体源，仍需提升下一代中微子望远镜的探测灵敏度。当下，欧美都在积极地筹建性能大大优化的二代中微子望远镜，预期在2030年前后建成；届时中微子天文学领域或实现重大突破。徐东莲曾在冰立方合作组中学习、工作多年，是近年来活跃在中微子天文学领域的青年学者。通过在国际大合作组的日积月累，她逐步萌发了一个“梦想”——由中国主导在南海海域建设中微子望远镜。2018年9月，徐东莲回国加盟李政道研究所，同年11月她“中微子天文学的研究”项目获得了“海外高层次青年人才专项”支持,主要开展中微子望远镜的选址和探测器原型样机研发，她在国际合作组时的“梦想”逐渐被描绘成一张令人振奋的蓝图，也吸引了来自上海交大和其他高校与科研机构的一大批志同道合的科学家和工程技术专家。2020年8月徐东莲代表“海铃计划”团队，在全国高能物理发展战略研讨会（青岛）上做大会邀请报告，正式提出了南海中微子望远镜——“海铃计划”的建设规划和行动计划。自2018年11月以来，经过缜密论证及相关仪器、装备的研制,作为“海铃计划”前期预研论证项目，“海铃探路者”海试团队于近日成功在预定海域布放数套自研的实验仪器,不仅原位采集到3500米海深的超过1TB的珍贵数据，还针对全水深海水相关性质进行扫描、检测。经初步分析，验证了预选海域作为中微子望远镜候选台址的可行性。此外，团队还成功布放了一套可长期监测海底流场、生物活动、沉积物及检验望远镜元器件的潜标，为后续望远镜阵列的设计和长期运维提供依据。

近日，国际顶级学术期刊《现代物理评论》(Reviews of Modern Physics)发表了刘乙庄、刘于圣等学者以李政道研究所署名的题为Large-Momentum Effective Theory（大动量有效理论，简称LaMET）的综述性论文（Rev. Mod. Phys. 93 （2021）035005）。作为物理类最高水平的评论类刊物之一，《现代物理评论》2020年影响因子高达54。近几年刘乙庄、刘于圣作为李政道研究所博士后，与北京师范大学张建辉教授、美国布鲁克海文国家实验室赵勇博士（现为阿贡国家实验室研究员）等合作在大动量有效理论中做了大量开拓性工作。该论文回顾了过去几年在 LaMET 理论、尤其是格点QCD 模拟计算中取得的研究进展。自从费曼在 50多年前引入部分子模型以来，人们通过对大量高能实验数据进行全局拟合获取了关于质子中部分子结构的许多信息。然而，从强相互作用的基本理论--量子色动力学 (QCD) –出发来计算描述质子部分子结构的可观测量，如部分子分布函数 (PDF)等长期以来进展缓慢。近几年，季向东教授建立了大动量有效理论（LaMET），通过该理论可以有效实现上述目的。该方法的关键在于：洛兰兹对称性使得描述质子部分子结构的光锥关联函数可以被替换为高速运动质子态中的静态关联函数。使用 LaMET，原则上可以通过 QCD的格点模拟（或其他非微扰方法）来提取 PDF、广义 PDF、横动量依赖的 PDF 和光锥波函数等一系列描述质子部分子结构的物理量。未来使用百亿亿次级超级计算机进行的格点QCD 计算将可以进一步帮助人们理解与质子结构相关的实验数据、尤其是未来致力于探索质子三维结构的电子离子对撞机上的数据，从而帮助我们理解强相互作用的本质。本研究项目得到了国家自然科学基金资助。原文链接：https://doi.org/10.1103/RevModPhys.93.035005