大亚湾反应堆中微子实验及其进展

大亚湾反应堆中微子实验及其进展张家文中国科学院高能物理研究所报告内容•科学意义与目标•研究内容与方案•目前状况与预研进展•项目队伍、组织与管理•进度计划测量q13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sin22q130.01，下一代长基线实验可以测定CP相角。•如果sin22q130.01，下一代长基线实验不能测得CP相角。4）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？大亚湾与DoubleChooz的比较大亚湾中微子实验•目前热功率共12GW,2011年将增加到18GW。•周围有山，便于建设地下实验室以屏蔽宇宙线本底是关键，因为中微子产生的讯号十分微弱。•测量sin22q13至0.01的精度，具有极为重要的意义•大亚湾实验可以达到这个要求，是目前国际设计精度最高的实验实验方法:比较观测与预期的中微子能谱过去实验的精度:3-6%•裂变元素及n能谱：~2%•反应堆功率：~1%•中微子能谱：~0.3%•本底：~1-3%•液闪中靶质量：~1-2%•中微子探测效率：~2-3%用远点与近点间的相对测量来消除与反应堆有关的误差将充分屏蔽的探测器置于地下深处来消除本底误差用特殊设计的探测器及其在远近点间的相对测量来消除与探测器有关的误差两个近点：DYB/LA一个中点：MID一个远点隧道总长度：~3000m实验安排Baseline:500mOverburden:98mMuonrate:0.9Hz/m21600mtoLA,1900mtoDYBOverburden:350mMuonrate:0.04Hz/m2Baseline:360mOverburden:97mMuonrate:1.2Hz/m28%slope0%slope0%slope0%slopeBaseline:~1000mOverburden:208mnepen10-40keVNeutrinoenergy:NeutrinoEvent:coincidenceintime,spaceandenergyepnnemMMTTE)(n实验方法:用液闪探测中微子1.8MeV:Thresholdt180or28ms(0.1%Gd)n+pd+g(2.2MeV)n+GdGd*+g(8MeV)探测器设计：多模块与多重反符合RedundancyisakeyforthesuccessofthisexperimentOtheroptionsareunderinvestigation建设内容•隧道系统（在此不讲）•中心探测器系统•反符合系统•读出电子学，触发与数据获取系统•软件与物理分析系统•机械系统中心探测器系统•圆柱型三层结构中心探测器:I.靶:掺轧液闪（r=1.6m,h=3.2m)II.集能层:普通液闪(r=45cm,h=4.1m)III.屏蔽层:矿物油(r=45cm,h=5m)•每个模块20吨靶质量,总共80吨•四周加光电倍增管读出中微子信号•上下加光学反射层，节省1/2光电倍增管•每个模块用~224个8”PMT•分辨率：sE/E=5%@8MeV,ss~14cmIIIIII14%(MeV)EEsPositionresolution~14cm16个有机玻璃罐设计：机械强度与结构光学性能使用要求与液闪的化学反应长期稳定性制造成型方法精度(2mm)强度/壁厚(1cm)残余应力与液闪的化学反应粘接工艺清洁JointalmostinvisibleA2mcylinder八个不锈钢罐：5m×5m•机械强度，几何尺寸，。。。液体闪烁体•数量：160吨掺钆液闪，180普通液闪，400吨矿物油•要求:–高的发光效率(50%antracene)–长的衰减长度(10m)–长期稳定性(5year)–与有机玻璃不发生化学反应•过去的问题：不稳定–PaloVerde:55%antracene,11m,0.03%/day–Chooz:~55%antracene,~10m,0.4%/day•高能所目前已取得的成绩:–自制了测量液闪发光效率及衰减长度的设备–研究了清洁液闪的化学方法，特别是去除钍元素的办法–寻找与测试了国产原材料，均能满足要求–研制了多种满足前述要求的掺钆液闪液闪及其原料的测量结果SampleAtten.Len.(m)Lightyield2:8mesitylene:dodecane(LS)15.0-LAB--PPO+bis-MSB(Flour)inLS11.30.4590.2%Gd-EHA+Flour+LS8.30.528Flour+LAB23.70.5420.2%Gd-TMHA+Flour+LAB19.10.478Gd-loadedscintillatordevelopedatIHEPCH2CnH2n-1Highlightyield,verytransparentHighflashpoint147oC,environmentallyfriendlyLowcostLAB0.0000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.0100.0110.0120.01310-15-0412-14-0402-12-0504-13-0506-12-0508-11-0510-10-0512-09-0502-07-0604-08-0606-07-06CalendarDateabslat430nm1.2%GdinPC0.2%GdinPC0.2%Gdin20%PC80%Dodecane0.2%GdinLAB0.2%Gdin20%PC80%LAB566days514days426days189daysMay08,2006189daysStabilityofGd-loadedscintillatordevelopedatBNL研究单位：高能所，BNL，JINR批量生产•液闪的配制–配方–混合程序–混合设备–原料•液闪的处理–放射性元素的去除–灰尘的去除–有害化学元素的去除•液闪的灌装–清洁度的保证–化学成分（一致性，杂质等）的保证(H/C,Gd/H,…)–体积与总重量的保证（0.1%）光电倍增管及其支撑结构•共需~17928”PMT•极低本底无钾玻璃•EMI或Hamamatzu•高稳定性信号与高压电缆•指标:–放大倍数:5×106–线性:500P.E.–噪声:5KHz@15oC@¼PE–放射性:238U,232Th,40K20-50ppb刻度与监测•放射源刻度:能量标度,分辨率,…–置入系统•自动系统:快速但有限空间位置•手动系统:所有空间位置但较慢–放射源的选择:能量(0.5-8MeV),活度(1KHz),g/n,…–清洁•物理事例刻度–中子俘获–宇宙线•LED刻度:PMTgain,liquidtransparency,…•环境监测:温度,高压,电流电压,氡气…•靶质量测量及高精度流量计•材料的放射性测量与认证水屏蔽与反符合探测器系统•用2米以上的水屏蔽宇宙线造成的中子本底和岩石造成的g本底•反符合探测器的要求：–效率99.5%–效率误差0.25%•解决办法：两套探测器：–水切伦科夫探测器,Eff.95%–Muon探测器,Eff.90%•RPC•scintillatorstrips–totalineff.=10%*5%=0.5%Neutronbackgroundvswatershieldingthickness2mwater水切伦科夫探测器•水池:–为国际上多个中微子实验采用–需~900PMT•水箱:–为长基线中微子实验提出–已完成模型实验–需~1248PMT阻性板探测器(RPC)•在水箱上部精确标记宇宙线事例•共三层,2640m2•读出道:~21200道•高能所在BESIII建设中自行研制了具有国际影响的新工艺光电倍增管读出电子学•指标:–电荷动态范围:0~500p.e.–电荷分辨率:10%@1p.e.–噪声:0.1p.e.–时间动态范围:0~500ns–时间分辨率:500ps•9UVME规范•16道/读出板,中心探测去需120块板FromPMT-5V50ΩHighspeedAmp.AD813210KΩ10pF10bit/40MSPSFlashADCFPGAToVMEbus1K1KCH16CH1+-1KEnergysumtotriggermoduleAD8065SUMintegratorDACthresholdstartstop`CH2Disc.L1Trigger(LVPECL)TDCPipeline40MHzClock(LVPECL)chargetimeDATABUFFERL1VMEinterfaceSinglechannelmacroinFPGAX16Testinput+-AD9215RC=100nsRC2+-RC=50nsSingleendedtodiff.10bitCLKCLKCLK200nswidth1µswidthresol.:0.5ns300nswidth10nswidthAmp.S2D10pF50ΩReadoutModule(VME)EnergysumPMT200ReadoutModule(VME)PMT1PMT16CentralTrigger(VME)EnergysumClock,Trigger,Check,etcFasthitinfoFasthitinfo1:16FanoutClock,Trigger,Check,etcClock,Trigger,Check,etcRPC读出电子学•在BESIII实验中采用•技术先进,造价低廉•指标:–位置信息(hit)触发系统•每个探测器模块一个独立触发–中心探测器共8块触发板–水切伦科夫探测器3块触发板–水箱切伦科夫探测器3块触发板–RPC3块触发板•每块触发板:–能量–多重数–时间标记•时钟分布系统数据获取系统•三个相对独立系统•一个中央控制系统•大量借用BESIII技术与成果•事例率:1KHz数字地形图：研究宇宙线本底及实验大厅选址本底及其误差•非关联误差:U/Th/K/Rn/neutron单gamma记数率@0.9MeV50Hz单中子记数率1000/day2mwater+45cmoilshielding•宇宙线造成的关联误差:nEm0.75中子:100MWE+2mwaterY.F.Wangetal.,PRD64(2001)00130128He/9Li:250MWE(near)，1000MWE(far)T.Hagneretal.,Astroparticle.Phys.14(2000)33NearfarNeutrinosignalrate(1/day)56080Naturalbackgrounds(Hz)45.345.3Singleneutron(1/day)242AccidentalBK/signal0.04%0.02%CorrelatedfastneutronBk/signal0.14%0.08%8He+9LiBK/signal0.5%0.2%系统误差ChoozPaloVerdeKamLANDDayaBayReactorpower0.70.72.050.13%Reactorfuel/nspectra2.02.02.7ncrosssection0.30.20.20No.ofprotonsH/Cratio0.80.81.70.20Mass--2.10.20EfficiencyEnergycuts0.892.10.260.2Positioncuts0.323.50Timecuts0.40.0.1P/Gdratio1.0-0.10nmultiplicity0.5-0.1backgroundcorrelated0.33.31.80.2uncorrelated0.31.80.10.1Trigger02.900.1livetime00.20.20.03基线优化及Sin22q13灵敏度•反应