大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)課件

曹俊中國科學(xué)院

高能物理所大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)中國物理學(xué)會

2006秋季會議曹俊大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)中國物理學(xué)會2006秋季會中微子振蕩1968Davis發(fā)現(xiàn)太陽中微子丟失(

12)1998年Super-K發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩(

23)2001年SNO證實(shí)丟失的太陽中微子變成了其它中微子2002年KamLAND用反應(yīng)堆證實(shí)太陽中微子振蕩2003年K2K（250公里）用加速器證實(shí)大氣中微子振蕩

確立了中微子振蕩

排除了模型依賴、衰變、干涉等解釋

測得了|

m232|,sin22

23,

m221,sin22

12

Baseline:三代中微子,大角度混合

MiniBooNE近期將發(fā)表結(jié)果2.510-3eV2810-5eV2J.Cao(IHEP)2DayaBayReactorNeutrinoExperiment中微子振蕩1968Davis發(fā)現(xiàn)太陽中微子丟失(中微子振蕩(2)2006年MINOS（720公里，2005年）給出了初步振蕩結(jié)果。最近：OPERA（730公里）開始取數(shù)T2K(295公里，2009）DayaBay(2010),DoubleChooz（2009?）Nova(720公里，2011）尚未立項(xiàng)?VLBN（2000公里）尚無明確前景?T2KK（1000公里）尚無明確前景

測量未知的量sin22

13,

CP,

m232的符號進(jìn)一步驗(yàn)證中微子混合模型（e.g.

出現(xiàn)）參數(shù)的精確測量（目前精度為10~30%）其中最重要的是CP破壞的大小J.Cao(IHEP)3DayaBayReactorNeutrinoExperiment中微子振蕩(2)2006年MINOS（720公里，2005中微子混合PMNSMatrixAtmosphericSolarReactorandLBLCP破壞的強(qiáng)度與

13相關(guān)J.Cao(IHEP)4DayaBayReactorNeutrinoExperiment中微子混合PMNSMatrixAtmosphericSol測量

13的物理意義1）是自然界的基本參數(shù)2）對理解輕子與夸克之間的關(guān)系，研究比目前的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型更基本的大統(tǒng)一理論具有重要意義3）對解釋宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱極為重要如果sin22

13>0.01，下一代長基線實(shí)驗(yàn)可以測定CP相角。如果sin22

13<0.01，下一代長基線實(shí)驗(yàn)不能測得CP相角。4）與長基線實(shí)驗(yàn)共同確定混合參數(shù)，消除簡并。5）對中微子物理的未來提供了發(fā)展方向

是否要建中微子工廠或超級束流？大亞灣實(shí)驗(yàn)的主要物理目標(biāo)：測量sin22

13至好于0.01的精度零，或非零，都具有重要意義J.Cao(IHEP)5DayaBayReactorNeutrinoExperiment測量13的物理意義1）是自然界的基本參數(shù)大亞灣實(shí)驗(yàn)的主要物物理結(jié)果干凈，造價(jià)低，速度快CPviolationmasshierarchymatter反應(yīng)堆

(disappearance)加速器

(

eappearance)測量

CP，必須先確定

sin22

13反應(yīng)堆與加速器實(shí)驗(yàn)J.Cao(IHEP)6DayaBayReactorNeutrinoExperiment物理結(jié)果干凈，造價(jià)低，速度快CPviolationmass反應(yīng)堆與加速器實(shí)驗(yàn)（2）Ref:hep-ex/0409028競爭合作J.Cao(IHEP)7DayaBayReactorNeutrinoExperiment反應(yīng)堆與加速器實(shí)驗(yàn)（2）Ref:hep-ex/040902利用反應(yīng)堆測量q13Angra,BrazilDiabloCanyon,USABraidwood,USAD-Chooz,FranceKrasnoyarsk,RussiaKASKA,JapanDayaBay,China國際競爭激烈，共提出八個(gè)方案大亞灣具有最有利的條件：功率大緊鄰高山核電廠支持RENO,KoreaJ.Cao(IHEP)8DayaBayReactorNeutrinoExperiment利用反應(yīng)堆測量q13Angra,BrazilDiablo用液閃探測中微子Neutrinoenergy:1.8-10MeVVisibleEnergy(e+):1.022-9MeV時(shí)間符合、能量符合能極大地去除本底

t28ms(0.1%Gd)n+GdGd*gs(8MeV)低能量，低事例率天然放射性探測器屏蔽宇宙線產(chǎn)生的本底，如快中子，同位素等地下J.Cao(IHEP)9DayaBayReactorNeutrinoExperiment用液閃探測中微子Neutrinoenergy:1.8-

13振蕩大亞灣事例率：近點(diǎn)（40噸）每天2000個(gè)遠(yuǎn)點(diǎn)（80噸）每天400個(gè)事例率減少能譜變形振蕩極大在2公里處J.Cao(IHEP)10DayaBayReactorNeutrinoExperiment13振蕩大亞灣事例率：J.Cao(IHEP)10Day實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)以前的中微子實(shí)驗(yàn)誤差為3~6%Chooz測量結(jié)果：sin22

13<0.17要達(dá)到0.01的精度，誤差必須小于0.5%采用兩個(gè)（或多個(gè)）全同的探測器做遠(yuǎn)近相對測量消除反應(yīng)堆帶來的~3%誤差足夠的巖石覆蓋，減少宇宙線帶來的本底（大亞灣最好）足夠的探測器屏蔽去除天然放射性本底以及宇宙線帶來的本底減少事例判選條件，特別是不能依賴重建頂點(diǎn)遠(yuǎn)近探測器交換，消除探測器效率誤差（只有大亞灣能實(shí)現(xiàn)）高功率反應(yīng)堆、更大的探測器，減小統(tǒng)計(jì)誤差（大亞灣第二）J.Cao(IHEP)11DayaBayReactorNeutrinoExperiment實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)以前的中微子實(shí)驗(yàn)誤差為3~6%采用兩個(gè)（或多個(gè)）全同大亞灣誤差參數(shù)相對誤差改進(jìn)方法反應(yīng)截面1.9%遠(yuǎn)近相對測量抵消總質(zhì)子數(shù)0.8%探測器交換抵消探測效率1.5%探測器交換抵消反應(yīng)堆功率0.7%遠(yuǎn)近相對測量抵消每裂變能量0.6%遠(yuǎn)近相對測量抵消CHOOZ合計(jì)2.75%<0.2%剩下的誤差（大亞灣）：統(tǒng)計(jì)誤差~0.2%本底誤差<

0.3%殘余反應(yīng)堆誤差<0.1%殘余系統(tǒng)誤差<0.2%探測器誤差J.Cao(IHEP)12DayaBayReactorNeutrinoExperiment大亞灣誤差參數(shù)相對誤差改進(jìn)方法反應(yīng)截面1.9%遠(yuǎn)近相對測量抵地理位置距香港55公里距深圳45公里J.Cao(IHEP)13DayaBayReactorNeutrinoExperiment地理位置距香港55公里J.Cao(IHEP)13Da大亞灣與嶺澳核電站DayaBayNPP2.9GW2LingAoNPP2.9GW2LingAoIINPP2.9GW2

Underconstruction(2010)J.Cao(IHEP)14DayaBayReactorNeutrinoExperiment大亞灣與嶺澳核電站DayaBayNPP2.9GW2L實(shí)驗(yàn)整體方案PortalLA:40tonBaseline:500mOverburden:98mFar:80ton1600mtoLA,1900mtoDYBOverburden:350mDYB:40tonBaseline:360mOverburden:97mAccessportalWastetransportportal9.6%slope0%slope0%slope0%slopeMid:

Baseline:~1000mOverburden:208m兩個(gè)近點(diǎn)：DYB/LA一個(gè)中點(diǎn)：MID一個(gè)遠(yuǎn)點(diǎn)隧道總長度：~3000mJ.Cao(IHEP)15DayaBayReactorNeutrinoExperiment實(shí)驗(yàn)整體方案PortalLA:40tonFar:實(shí)驗(yàn)選點(diǎn)J.Cao(IHEP)16DayaBayReactorNeutrinoExperiment實(shí)驗(yàn)選點(diǎn)J.Cao(IHEP)16DayaBayRe中微子探測器探測器模塊化近點(diǎn)各兩個(gè)，遠(yuǎn)點(diǎn)四個(gè)每個(gè)20噸靶質(zhì)量，總重100噸直徑5米，高5米三層結(jié)構(gòu)：I.靶層：摻釓液體閃爍體II.集能層：普通液閃III.

屏蔽層：礦物油上下端面加反射層降低造價(jià)簡化結(jié)構(gòu)~2008”PMT/模塊IIIIIIJ.Cao(IHEP)17DayaBayReactorNeutrinoExperiment中微子探測器探測器模塊化三層結(jié)構(gòu)：IIIIIIJ.Cao實(shí)驗(yàn)大廳中微子探測器放在水池中，被2.5米的水屏蔽水池兼做宇宙線探測器水池外圍另有一層反符合探測器RPC水箱探測器J.Cao(IHEP)18DayaBayReactorNeutrinoExperiment實(shí)驗(yàn)大廳中微子探測器放在水池中，被2.5米的水屏蔽J.Ca水屏蔽層宇宙線在巖石和水中產(chǎn)生的快中子可以飄移到中心探測器，形成本底

兩層反符合，效率>99.5%巖石的天然放射性

壓低~107倍其它材料如水泥：價(jià)格高、有天然放射性

中子tagtag水J.Cao(IHEP)19DayaBayReactorNeutrinoExperiment水屏蔽層宇宙線在巖石和水中產(chǎn)生的快中子可以飄移到中心探測器，探測器模擬：正電子效率ChoozDayaBayChooz1.3MeV,error0.8%（badLS)KamLAND2.6MeV,error0.26%PositronEfficiency99.6%Error~0.05%(Assuming2%

energyscaleerror)J.Cao(IHEP)20DayaBayReactorNeutrinoExperiment探測器模擬：正電子效率ChoozDayaBayChooz探測器模擬：中子效率NeutronEnergy(MeV)ReconGEANTenergy6MeVNeutron-captureenergycutefficiency91%,Error~0.2%(Assuming1%energyscaleerror)45cmgammacatcherJ.Cao(IHEP)21DayaBayReactorNeutrinoExperiment探測器模擬：中子效率NeutronEnergy(MeV本底模擬J.Cao(IHEP)22DayaBayReactorNeutrinoExperiment本底模擬J.Cao(IHEP)22DayaBayRe本底模擬（2）三種主要本底快中子本底同位素8He/9Li偶然符合本底天然放射性（巖石、PMT玻璃、鋼結(jié)構(gòu)、水、氡氣、灰塵、液體閃爍體）單中子、

同位素遠(yuǎn)點(diǎn)本底能譜J.Cao(IHEP)23DayaBayReactorNeutrinoExperiment本底模擬（2）三種主要本底遠(yuǎn)點(diǎn)本底能譜J.Cao(IHESensitivityThree-yearrun(0.2%statisticalerror)Twonearsites,40toneach80tonatFarsiteDetectorerror~0.4%Farsitebackgrounderror0.2%Nearsitebackgrounderror0.3%90%confidencelevelJ.Cao(IHEP)24DayaBayReactorNeutrinoExperimentSensitivityThree-yearrun(0.2farDayanearLingaonearmid地質(zhì)勘探已完成鉆探巖芯J.Cao(IHEP)25DayaBayReactorNeutrinoExperimentfarDayaLingaomid地質(zhì)勘探已完成鉆探巖芯J.小模型實(shí)驗(yàn)J.Cao(IHEP)26DayaBayReactorNeutrinoExperiment小模型實(shí)驗(yàn)J.Cao(IHEP)26DayaBayR小模型實(shí)驗(yàn)137Cs60Co線性：Ba,Cs,Na,Co能量精度：Ba,Cs,Na,CoJ.Cao(IHEP)27DayaBayReactorNeutrinoExperiment小模型實(shí)驗(yàn)137Cs60Co線性：Ba,Cs,Na,Co能量摻釓液體閃爍體研制長期穩(wěn)定性試驗(yàn)研究單位：高能所，BNL，JINR近期將在小模型中試驗(yàn)0.5噸中試生產(chǎn)檢測驗(yàn)高能所摻釓液閃的性能BNL將與香港合作在AberdeenTunnel試驗(yàn)中測試J.Cao(IHEP)28DayaBayReactorNeutrinoExperiment摻釓液體閃爍體研制長期穩(wěn)定性試驗(yàn)研究單位：近期將在小模型中試國際合作組高能物理研究所中國原子能研究院清華大學(xué)北京師范大學(xué)深圳大學(xué)中山大學(xué)南開大學(xué)南京大學(xué)BrookheavenBerkleyCaltechUCLAPrincetonUniv.ofIllinoisatUrbana-ChampaneIllinoiseInst.OfTech.Univ.ofWisconsinUniv.ofHoustonUniv.ofIowaRensselaerPolytechnicInstituteVirginiaTech.香港大學(xué)香港中文大學(xué)臺灣大學(xué)臺灣聯(lián)合大學(xué)臺灣交通大學(xué)俄羅斯JINR俄羅斯KurchatovInst.捷克Charles大學(xué)共約100人J.Cao(IHEP)29DayaBayReactorNeutrinoExperiment國際合作組高能物理研究所Brookheaven香港大學(xué)俄羅斯國際合作組按國際慣例組成合作組，制定了章程組成了合作組委員會選舉了7人執(zhí)行委員會：高能所：王貽芳，楊長根伯克利實(shí)驗(yàn)室：陸錦標(biāo)，加州理工學(xué)院：R.Mckeown臺灣大學(xué):熊怡香港中文大學(xué):朱明中俄國杜布納聯(lián)合研究所:A.Olchevski選舉了發(fā)言人：高能所王貽芳和伯克利實(shí)驗(yàn)室陸錦標(biāo)建立了9個(gè)工作小組大致確定了各方的任務(wù)分工J.Cao(IHEP)30DayaBayReactorNeutrinoExperiment國際合作組按國際慣例組成合作組，制定了章程J.Cao(I達(dá)成經(jīng)費(fèi)意向經(jīng)費(fèi)來源經(jīng)費(fèi)用途科學(xué)院5千萬元隧道及地下實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，地面設(shè)施建設(shè)，中心探測器鋼罐，液體閃爍體，反符合探測器，讀出電子學(xué)，觸發(fā)及數(shù)據(jù)獲取，刻度，數(shù)據(jù)分析科技部4千萬元基金委1千萬元深圳市/廣東省/中廣核~7千萬元香港~30萬美元光二極管刻度，數(shù)據(jù)分析臺灣~100萬美元有機(jī)玻璃罐，數(shù)據(jù)分析俄國實(shí)物貢獻(xiàn)液體閃爍體，反符合探測器美國DOE探測器50%(2~3千萬美元)液體閃爍體，反符合探測器，刻度，光電倍增管，數(shù)據(jù)分析J.Cao(IHEP)31DayaBayReactorNeutrinoExperiment達(dá)成經(jīng)費(fèi)意向經(jīng)費(fèi)來源經(jīng)費(fèi)用途科學(xué)院5千萬元立項(xiàng)進(jìn)展2003年底開始啟動2006年4月29日，中國科學(xué)院正式立項(xiàng)，批準(zhǔn)經(jīng)