近日，物理與天文學院劉言東與北京大學物理學院理論物理研究所曹慶宏、匹茲堡大學程焜合作提出了基于快度分布的鑒別馬約拉納費米子的新方法。該成果以《在未來輕子對撞機上鑒別馬約拉納型和狄拉克型惰性中微子》（Distinguishing Dirac from Majorana Heavy Neutrino at Future Lepton Colliders）為題于1月14日在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

自然界中是否存在馬約拉納費米子（其反粒子等于自身），這是馬約拉納1937年提出這一概念以來，物理學界關注的重要科學問題之一。為解釋中微子質量起源而引入的惰性中微子是可能的馬約拉納費米子候選者。然而，在實驗上快速有效地鑒別惰性中微子究竟是馬約拉納型還是狄拉克型費米子，長期以來一直是粒子物理領域的熱點和難點。傳統實驗方法通常依賴探測末態輕子數的變化來判斷馬約拉納中微子的特性，例如尋找兩個同號輕子的信號。為了解決這一問題，合作團隊提出了一種基于快度分布的新方法，專注于惰性中微子的快度分布特性。該方法具有以下顯著優勢：

1. 清晰的特征模式：狄拉克型惰性中微子的快度分布呈現單一峰值，而馬約拉納型惰性中微子則表現為前向和后向兩個峰值的對稱分布（圖1）。這一顯著差異為區分兩種類型提供了直觀而可靠的依據。

2. 實驗要求低：相比傳統方法需要檢測兩個同號輕子，該方法僅需檢測一個帶電輕子，極大簡化了實驗操作。

3. 質量校驗功能：快度分布的峰值位置由惰性中微子的質量決定，可用于校驗通過其他方法獲得的質量測量結果，提升實驗精度。

圖1 惰性中微子快度分布：（a）狄拉克型惰性中微子；（b）馬約拉納型惰性中微子

該方法為未來輕子對撞機鑒別惰性中微子性質提供了全新的思路，不僅有助于揭示惰性中微子的本質，還為理解中微子質量的起源以及區分不同理論模型（如 I 型與反型蹺蹺板模型）提供了重要工具。

北京大學物理學院教授曹慶宏為論文第一作者，匹茲堡大學博士程焜為共同第一作者，北京師范大學物理與天文學院副研究員劉言東為通訊作者。該項工作得到了國家自然基金委和北京大學高能中心的經費支持。