中微子振荡和大亚湾反应堆中微子实验

1中微子的混合参与弱相互作用的中微子να(味本征态）是质量本征态νi混合态•任何一个质量本征态νi都可以伴随着某种带电轻子一起产生•轻子混合矩阵U是么正的2中微子的振荡3Propagator(νi)?在νi的静止系中：洛伦兹不变性转换到实验室系：振荡的几率：4反中微子的振荡？复数的混合矩阵U将导致CP破坏：因为CPT守恒：从而：5三味中微子的振荡混合矩阵：质量谱：参数化混合矩阵（PMNS矩阵，忽略了Majorana项）：太阳，反应堆反应堆，加速器大气，加速器6θ13的状态•目前θ13的最好值由CHOOZ给出•大亚湾实验的物理目标是将sin22θ13测量到0.01的精度（90%置信度）Atm231=2.5103eV2,sin220.157θ13的物理意义•最后一个相对不确定的混合角•关系到CP破坏相位角的测量–θ13如果不太小，则CP破坏相位角δ可以测量–反之，CP破坏相位角不可以通过振荡的方式来测量•反应堆中微子实验是测量θ13理想的方式，可以单一地测量θ13；而加速器实验中θ13和δ的效应混在一起，难以区分8大亚湾实验的目标90％CLsin22θ130.019核反应堆中微子•来自核燃料裂变产物的β衰变反电子中微子•中微子的通量正比于反应堆热功率：Φν＝1.9x1020Pth(GW)s-1–大亚湾核反应堆目前的热功率～12GW，距离一公里处中微子的通量～2x1010cm-2s-1•通过反β衰变探测中微子•观测反β衰变中微子事例数的减少和能谱的变化来确定中微子的振荡10反电子中微子的振荡几率11反电子中微子的探测nepe利用反β衰变测量反电子中微子：慢信号：末态中子在液闪中慢化后被钆俘获，发出总能量8MeV的伽马光子快信号：末态正电子和电子湮灭后发出两个能量大于0.5MeV的光子快慢信号延迟符合确定中微子事例1213探测器的设计RPC水切伦科夫探测器八角形的水池保证AD被2.5m以上的水层环绕，吸收散射中子水切伦科夫探测器和RPC构成反符合系统，探测宇宙线muon中微子探测器14中微子探测器•靶层：探测反β衰变•直径3.1m,高3.1m•掺钆液闪•集光层：探测从靶层中逃逸的γ光子•纯液闪•厚42.5cm,高3.97m•白油层：吸收钢罐、PMT及外部的放射性；保持PMT对液闪闪烁光响应的均匀性•厚48.8cm,高4.976m15中微子探测器的设计42.5cm,91%4x20吨15cm灵敏度和靶总靶质量的关系PMT对液闪中不同位置电子的响应中子探测效率与集光层厚度的关系16正电子和中子的探测效率•正电子：E1MeV12％的能量分辨ε=99.85%能量刻度引起的误差~0.05%•中子：E6MeVε~93%,σε~0.1%1%能量刻度误差σε~0.2%17能量和位置重建•用最大似然法进行能量和定点重建对8MeV电子得顶点重建得分辨率是~12.5cm，好于中子俘获顶点的不确定性~20cm8MeV电子能量重建的分辨率是~4.1%18宇宙线μ的模拟大亚湾实验所在山体的三位图修正的宇宙线muon通量公式和原公式的比较，点是实验数据19μ探测系统的设计•由水切伦科夫探测器和RPC构成•两者联合对muon的探测效率高于99.5%，误差小于0.25%•两者相互之间可以进行探测效率的校正20水切伦科夫探测器•注满纯水的八角形水池，长x宽x高＝16x16x10m3（远点），16x10x10m3（近点）•中微子探测器排列中间，间距1m大于2.5m水层•Tyvek将水池分成内外层，分别排放8”PMT构成内、外（厚1m）水切伦科夫探测器，～4m2/PMT21水切伦科夫探测器的性能IWS:阈值11个PMT,效率98.1%OWS:阈值13个PMT,效率97.7%联合探测效率：98.3%IWS:σ~40cmOWS:σ~70cmmuon径迹到水池中心距离的重建值和真实值之差22RPC：ResistivePlateChambers•经济，制造简单，适于大面积•覆盖在水池上：远点18x18m2，近点18x12m2•流光模式•空间分辨～0.5m•每个模块4层裸室，2x2m2，模块交叠避免死区•触发模式：4选3（98.6%），3选2（99.3%），单层95%三选二三选一23气体读出条2mm电木板2mm气隙2mm电本板氩气:四氟乙烷:异丁烷=50:42:824数据样本的时间特性•大亚湾真实数据是按时间排序的来自各种事例的触发信号•同一个事例可以产生两个以上的触发信号•不同事例的触发信号可能在时间上交叉•相继事例的时间间隔服从指数分布μ及其产生的中子放射性事例和中子事例会偶然符合成一个中微子事例μ及其产生的发射性事例放射性事例发生在中微子事例的快慢信号之间25事例类型26中微子事例的分析•模拟样本：–中微子事例930/天，发射性事例5.5x106/天，散射中子事例500/天•样本混合：–混合后的样本时间86203s–包含的事例数：中微子930/放射性5487873/中子489•事例分析：–6MeVE慢信号10MeV,1MeVE快信号10MeV–时间窗：100us,150us,200us27总结•中微子振荡是目前唯一被实验确认的超越标准模型的物理•描述中微子振荡的6个参数中，4个已经被很好的测定，只剩下混合角θ13和轻子CP破坏相位角没有被确定•而θ13的大小将决定轻子CP破坏相位角的可测性，从而影响未来中微子实验的设计•大亚湾反应堆中微子实验是为了精确测量θ13，使其比目前的精度提高一个数量级•大亚湾核反应堆的高功率和周围的山地提供了实验得天独厚的地理条件•实现大亚湾实验物理目标的关键是系统误差和本底事例的控制28谢谢