中微子被认为是自然界中最让人好奇的粒子，科学家们执着于揭示它的特性与质量等“身世之谜”，例如，中微子是否马约拉纳粒子？即，反物质粒子是否其自身？1934年，著名物理学家费米将一种“类似于幽灵、能导致能量丢失的粒子”命名为中微子，其意为 “小且中性的粒子”，以此区别于大质量且中性的中子。1998年，中微子振荡的实验研究证实了一种“味道”的中微子自发地变成另一种“味道”的现象，从而确定了中微子具有微小但非零的质量。该项工作获得了2015年诺贝尔物理学奖。然而，在标准模型中，中微子的质量起源仍然是个谜团——希格斯机制无法解释中微子的质量。物理学家相信，中微子与超出标准模型的新物理有着密切的联系。

1978年，诺贝尔物理学奖获得者史蒂芬·温伯格引入了一个高量纲相互作用算符。在此基础上，物理学家提出可能存在非常大质量的马约拉纳型中微子，而且这些中微子在目前可获得的碰撞能量下无法被直接观测到。然而，这些马约拉纳型中微子可以与标准模型的中微子相互作用，导致标准模型的中微子质量很小但不为零，这也正如实验所观察到的一样。此外，这些马约拉纳中微子的质量越大，标准模型中微子的质量就越小——这一假说被称为 "跷跷板模型"。在这个模型里，较重的中微子在“跷跷板”上扮演一个“大孩子”的角色，通过抬起较轻的中微子而使它具有较小质量。不过，使用“跷跷板”模型是有条件的，即中微子是马约拉纳粒子。

通过矢量玻色子散射过程来探测重的中微子以及高量纲温伯格算符的示意费曼图。

寻找包括重的马约拉纳中微子在内的新物理是粒子物理学的最重要的目标，也是欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（large hadron collider; LHC）上的重大课题。北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术国家重点实验室高能物理团队李强研究员课题组，利用CERN的大型强子对撞机的紧凑缪子线圈（compact muon solenoid; CMS）探测器实验所收集的13 万亿电子伏（TeV）质子—质子对撞数据，首次通过矢量玻色子散射过程对重马约拉纳中微子和高量纲温伯格算符进行了探测，对质量大于2TeV直至25TeV的重马约拉纳中微子，以及对5维的温伯格算符进行了首次直接限制。相关结果于2023年7月6日发表于《物理评论快报》，被选为“物理亮点”（ Featured in Physics）和“编辑推荐”（ Editors' Suggestion），并且被“物理观点”（Physics Viewpoint）热点报道。李强课题组在CMS国际合作组提出并领导了这两项工作，北京大学物理学院2017级博士研究生肖杰（现为法国里昂第一大学CMS组博士后）担当分析负责人， 肖杰和北京大学物理学院2019级博士研究生钱思天在CMS合作组内作了预审核及审核报告。 上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等大力支持。

论文原文链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.011803

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