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