中微子实验探测进展

1. 中微子实验探测进展 • 中微子探测原理 • 中微子探测技术 • 中微子实验 • 小结和展望 Li Jin / 李 金 中科院高能所, 核电子学&核探测器年会 厦门, 12/ 2002

2. 諾贝尔2002年物理奖50% 是n 天文物理: Ray. Davis Jr. (U. Penn) : 经典的“氯”的实验 小柴昌俊(东京大学) : Kamiokande & SuperK(神岗) • 50% to Riccardo Giacconi, in X-Ray Astronomy

3. 中微子研究是重大前沿课题 • 中微子充满宇宙,很有可能是暗物质的一种.对宇宙而言,中微子是举足轻重的重要成份 • 中微子是微观世界最基本的单元之一.虽然质量最小,作用最弱,但对粒子物理发展的影响则是巨大的. • 中微子又是极为特殊的物理探针.它可以将几万光年以外星体的信息带到地球,也可以将太阳内部的信息传递给人类. • 因此,中微子物理是当前基本粒子物理, 宇宙学和天体物理的重要前沿课题.她既 关系到微观粒子结构和相互作用,又关系 到宏观宇宙的起源演化,它既是研究的微 观对象,又是研究宏观世界的独特工具,她 在两个截然不同的世界里却扮演着了非 同小可的角色,是联系着两个世界的重要 纽带.

4. 中微子的来源 可观测区 • 和光子一样多的中微子: 300/cc • 来自太阳, 超新星, 宇宙线, 反应堆, 加速器, 大气层,地球& 大爆炸遗迹…

5. 中微子探测原理 • 1. CC带电流反应: n +pl+nne+pe++n • nm+ p m- + n ;nm+Nm-+X(shower) • 2. NC中性流反应 • nm+N nm +X(shower) • 3. n与核子的非弹性散射 • ne+(A,Z)e++(A,Z-1) • 4.中微子电子散射反应 • ne+ e  ne+ e

6. 中微子反应截面 Strong Electro-magnetic 对中微子实验的挑战: “如何应对如此小的截面?” 需要建立大规模的探测器，  但要低本底，低成本! Weak l(H2O)  250 光年! En~ 1015 eV, L~地球的直径

7. 探测技术 • ※ 0.1-1 keV中微子: • R&D:低温探测技术 ※ keV-MeV 中微子: • 最早使用:辐射化学技术(太阳中微子Cl, Ga) ne+nXnY* • R&D :发展实时+能量测量的方法 • 正在进行:闪烁晶体, 固体探测器 ne+ e  e + ne • ※ MeV-GeV中微子: • 正在进行:水Cherenkov探测器，液体闪烁计数器 ※ GeV-TeV中微子: • 很早使用:高能物理实验探测系统 ※ 天体物理超高能(UHE)中微子: • 重大项目:水/冰Cherenov, 电磁波/声波, 宇宙线大气簇射..

8. 辐射化学实验 从30 吨靶(1029个原子)中tons的抽取30个原子 GALLEX: ne+71Ga71Ge, 探测71Ge 的X-rays

9. 大规模探测器中探测技术:Cherenkov 辐射探测 Permits one Sensor to see Area of Λ2atten E. Kearns, BU

10. Super-Kamionkande ※ 水 Cerenkov 探测器: 5万吨, 11,000+只直径半米的PMTs 日本中部神岗1000 m 的地下s ※ 物理:太阳n, 大气n , 长基线加速器n, 质子衰变.. ※重大事故(PMTs 爆裂) 损坏7000PMTs，今年底50% PMTs取数!!!

12. SK >5 MeV e-ring from ne+e scattering The Sun IS Burning !!

13. SK sub-GeV events from atmospheric n interactions m-ring from nmN e-ring from neN NC events with p02g

14. SNO 探测器（Sudbury 中微子实验） ※ 重水Cerenkov 探测器: 1千吨重水, 7千吨屏蔽水， 9456 只PMTs 在2000 m 地下. ※ 物理: 太阳n …

15. Actual measurements : only detect e- (a burst of light) : deconvolute the channels

16. 探测 ne的“Reines’ 反应” :ne+pe++n • 探测e+ 和延迟的n-俘获 • 液体闪烁体（含质子的靶）探测器 Discovery of Neutrinos , Reines 1956

17. KamLAND • 长基线反应堆n (对世界20% 反应堆的中微子灵敏!) • 平均距离160 km • 1 千吨液体闪烁体在神岗山洞内 • 探测太阳n • 还没有物理结果(批准刚5 年!!)

18. 加速器n (1-10 GeV) 实验: 典型的高能物理实验技术-  m径迹探测, 对电子或强子的簇射量能器 CC: nm+Nm-+X(shower) NC: nm+N nm +X(shower)

19. CHORUS NOMAD

20. Charm 探测器

21. MINOS探测器

22. MUON储存环中微子工厂 • ne & nm + anti-n’s, control & selectable • intense source • known spectra • precision measurements of Dm2 and ij • search of CP violation • need O(1000 km) baseline • BIG projects !!!

23. 用核乳胶直接观测nt nN Interaction @ Emulsion Events from DONUT@FermiLab nt Field of View : 100 mmX120 mm

24. 可见光 Cherenkov中微子望远镜实验 目标: 探测天体物理n at 1012-1015 eV ANTARES La-Seyne-sur-Mer, France BAIKAL Russia NEMO Catania, Italy DUMAND Hawaii (cancelled 1995) NESTOR Pylos, Greece AMANDA, South Pole, Antarctica

25. IceCube – km3n望远镜 ※探测高能 (1012-1015 eV) n’s South Pole AMANDA IceCube

26. 电磁波Chenrenkov 探测器: for > 1015 eV neutrinos; target- Moon, Antartic Ice, Salt mine ……

27. En > 1015eV : 利用地球山峰做耙的实验

28. En > 1019 eV: 从太空观测Cherenkov或荧光

29. 小结& 展望 • 中微子是非常重要,并十分奇妙的微观粒子 她的过去和现在都给物理以“惊奇”或“意外” • 中微子的质量和混合必将孕育新的物理 超出粒子物理标准模型! • 21世纪将有更多的实验和更好的物理成果 要有更新的探测器和探测方法! • 21世纪需要开发革命性探测方法 諾贝尔物理奖等待着开拓者