大亚湾反应堆中微子试验

曹俊中国科学院高能物理所大亚湾反应堆中微子实验中国物理学会2006秋季会议J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment2中微子振荡1968Davis发现太阳中微子丢失(12)1998年Super-K发现大气中微子振荡(23)2001年SNO证实丢失的太阳中微子变成了其它中微子2002年KamLAND用反应堆证实太阳中微子振荡2003年K2K（250公里）用加速器证实大气中微子振荡确立了中微子振荡排除了模型依赖、衰变、干涉等解释测得了|m232|,sin2223,m221,sin2212Baseline:三代中微子,大角度混合MiniBooNE近期将发表结果2.510-3eV2810-5eV2J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment3中微子振荡(2)2006年MINOS（720公里，2005年）给出了初步振荡结果。最近：OPERA（730公里）开始取数T2K(295公里，2009）DayaBay(2010),DoubleChooz（2009?）Nova(720公里，2011）尚未立项?VLBN（2000公里）尚无明确前景?T2KK（1000公里）尚无明确前景测量未知的量sin2213,CP,m232的符号进一步验证中微子混合模型（e.g.出现）参数的精确测量（目前精度为10~30%）其中最重要的是CP破坏的大小J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment4中微子混合PMNSMatrix131312323232312121212313cos0sin010scossin0sinc1i000cossin0sincoos0001sn0cosiieeAtmosphericSolarReactorandLBL12331231230.80.50.40.60.70.40.60.7eeeeUUUUUUUUUUUCP破坏的强度与13相关J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment5测量13的物理意义1）是自然界的基本参数2）对理解轻子与夸克之间的关系，研究比目前的粒子物理标准模型更基本的大统一理论具有重要意义3）对解释宇宙中物质-反物质不对称极为重要如果sin22130.01，下一代长基线实验可以测定CP相角。如果sin22130.01，下一代长基线实验不能测得CP相角。4）与长基线实验共同确定混合参数，消除简并。5）对中微子物理的未来提供了发展方向是否要建中微子工厂或超级束流？大亚湾实验的主要物理目标：测量sin2213至好于0.01的精度零，或非零，都具有重要意义J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment622222312413132112sin2c1sinsin2soin44seemLmLPEE物理结果干净，造价低，速度快CPviolationmasshierarchymatter反应堆(disappearance)加速器(eappearance)测量CP，必须先确定sin2213反应堆与加速器实验eJ.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment7反应堆与加速器实验（2）Ref:hep-ex/0409028竞争合作J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment8利用反应堆测量13Angra,BrazilDiabloCanyon,USABraidwood,USAD-Chooz,FranceKrasnoyarsk,RussiaKASKA,JapanDayaBay,China国际竞争激烈，共提出八个方案大亚湾具有最有利的条件：•功率大•紧邻高山•核电厂支持RENO,KoreaJ.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment9用液闪探测中微子nepeNeutrinoenergy:1.8-10MeVVisibleEnergy(e+):1.022-9MeV时间符合、能量符合能极大地去除本底28s(0.1%Gd)n+GdGd*gs(8MeV)低能量，低事例率天然放射性探测器屏蔽宇宙线产生的本底，如快中子，同位素等地下J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment1013振荡大亚湾事例率：近点（40吨）每天2000个远点（80吨）每天400个事例率减少能谱变形振荡极大在2公里处22312131sin4sin2eemLPEJ.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment11实验要点以前的中微子实验误差为3~6%Chooz测量结果：sin22130.17要达到0.01的精度，误差必须小于0.5%采用两个（或多个）全同的探测器做远近相对测量消除反应堆带来的~3%误差足够的岩石覆盖，减少宇宙线带来的本底（大亚湾最好）足够的探测器屏蔽去除天然放射性本底以及宇宙线带来的本底减少事例判选条件，特别是不能依赖重建顶点远近探测器交换，消除探测器效率误差（只有大亚湾能实现）高功率反应堆、更大的探测器，减小统计误差（大亚湾第二）J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment12大亚湾误差参数相对误差改进方法反应截面1.9%远近相对测量抵消总质子数0.8%探测器交换抵消探测效率1.5%探测器交换抵消反应堆功率0.7%远近相对测量抵消每裂变能量0.6%远近相对测量抵消CHOOZ合计2.75%0.2%剩下的误差（大亚湾）：统计误差~0.2%本底误差0.3%残余反应堆误差0.1%残余系统误差0.2%探测器误差J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment13地理位置距香港55公里距深圳45公里J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment14大亚湾与岭澳核电站DayaBayNPP2.9GW2LingAoNPP2.9GW2LingAoIINPP2.9GW2Underconstruction(2010)J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment15实验整体方案PortalLA:40tonBaseline:500mOverburden:98mFar:80ton1600mtoLA,1900mtoDYBOverburden:350mDYB:40tonBaseline:360mOverburden:97mAccessportalWastetransportportal9.6%slope0%slope0%slope0%slopeMid:Baseline:~1000mOverburden:208m两个近点：DYB/LA一个中点：MID一个远点隧道总长度：~3000mJ.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment16实验选点222211,322222222222211,3(1)minrAAAAAAiiiDcdiriANbinriAAAsiAiibiAANbincidDrriADcrshapedBTMTcbBTTTBcbJ.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment17中微子探测器探测器模块化近点各两个，远点四个每个20吨靶质量，总重100吨直径5米，高5米三层结构：I.靶层：掺钆液体闪烁体II.集能层：普通液闪III.屏蔽层：矿物油上下端面加反射层降低造价简化结构~2008”PMT/模块IIIIIIvertex14%~,14cm(MeV)EEJ.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment18实验大厅中微子探测器放在水池中，被2.5米的水屏蔽水池兼做宇宙线探测器水池外围另有一层反符合探测器RPC水箱探测器J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment19水屏蔽层宇宙线在岩石和水中产生的快中子可以飘移到中心探测器，形成本底两层反符合，效率99.5%岩石的天然放射性压低~107倍其它材料如水泥：价格高、有天然放射性中子tagtag水J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment20探测器模拟：正电子效率enep2eegChoozDayaBayChooz1.3MeV,error0.8%（badLS)KamLAND2.6MeV,error0.26%PositronEfficiency99.6%Error~0.05%(Assuming2%energyscaleerror)J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment21探测器模拟：中子效率NeutronEnergy(MeV)ReconGEANTenergy6MeVNeutron-captureenergycutefficiency91%,Error~0.2%(Assuming1%energyscaleerror)45cmgammacatcherJ.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment22本底模拟J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment23本底模拟（2）三种主要本底快中子本底同位素8He/9Li偶然符合本底天然放射性（岩石、PMT玻璃、钢结构、水、氡气、灰尘、液体闪烁体）单中子、同位素远点本底能谱J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment24Sensitivity•Three-yearrun(0.2%statisticalerror)•Twonearsites,40toneach•80tonatFarsite•Detectorerror~0.4%•Farsitebackgrounderror0.2%•Nearsitebackgrounderror0.3%90%confidencelevelJ.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment25farDayanearLingaonearmid地质勘探已完成钻探岩芯J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment26小模型实验J.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment27小模型实验137Cs60Co线性：Ba,Cs,Na,Co能量精度：Ba,Cs,Na,CoJ.Cao(IHEP)DayaBayReactorNeutrinoExperiment28掺钆液体闪烁体研制0.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.0100.0110.0120.01310-15-0412-14-0402-12-0504-13-0506-12-0508-11-0510-10-0512-09-0502-07-0604-08-0606-07-06CalendarDateabslat430nm1.2%GdinPC0.2%GdinPC0.2%Gdin20%PC80%Dodecane0.2%GdinLAB0.2%Gdin20%PC80%