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曹 俊

曹 俊. 大亚湾中微子实验 中心探测器的物理设计. 中国科学院高能物理所 核探测技术与核电子学重点实验室年会 , 2009-4-21. 1500m. 1900m. 500m. 360m. 实验整体方案. 总共有 8 个中心探测器， 位于三个实验大厅： 两个近点探测器分别测量两组反应堆，各放置 2 个中心探测器模块 远点探测器位于振荡极大点 2 公里处，放置 4 个中心探测器模块 8 个模块全同（远近相对测量抵消误差）. RPC. 地下实验大厅. Oil Buffer. Gamma Catcher. RPC. 20 t Gd-LS.

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  1. 曹 俊 大亚湾中微子实验 中心探测器的物理设计 中国科学院高能物理所 核探测技术与核电子学重点实验室年会, 2009-4-21

  2. 1500m 1900m 500m 360m 实验整体方案 • 总共有8个中心探测器， • 位于三个实验大厅： • 两个近点探测器分别测量两组反应堆，各放置2个中心探测器模块 • 远点探测器位于振荡极大点2公里处，放置4个中心探测器模块 • 8个模块全同（远近相对测量抵消误差）

  3. RPC 地下实验大厅 Oil Buffer Gamma Catcher RPC 20 t Gd-LS Antineutrino detector Water Cherenkov Reflective panel

  4. 反应堆中微子能谱与事例率 90/天/模块 Peak at ~4 MeV 650/天/模块 640/天/模块 反衰变反应： 每模块20吨靶质量

  5. 反应堆中微子振荡 大亚湾实验的物理目标是测量sin2213到0.01（90% C.L.） 假定sin2213=0.1, E=4 MeV 如果发生振荡：1）事例总数（比无振荡预期值）减少；2）能谱变形 对能谱平均后，近点减少~0.2sin2213，远点减少~0.8sin2213。如果sin2213=0.01，只用总数，需要观测到0.6%的减少。 对大亚湾实验的规模，总数与能谱同样重要。

  6. Prompt signal Capture on H or Gd,Delayed signal, 2.2, 8 MeV Capture on H Capture on Gd 中微子事例信号：能量 对应可观测能量1.022 MeV 阈值1.8 MeV 正电子能谱就是中微子能谱平移0.8 MeV

  7. 中微子事例信号：符合时间 • 快慢信号符合可以极大地去除偶然符合本底。 • 天然放射性设计值100 Hz，远点中微子事例0.001 Hz • 符合时间窗可取为1-200微秒 在10-150微秒内可用指数函数很好地描述。 俘获时间的上升沿放大图 中子在钆上的俘获时间，~30微秒

  8. inefficiency 0.1% Gd (μs) inefficiency (μs) 时间判选Inefficiecy Inefficiency较大，事例时间不准可能会带来一点误差 > 200 s cut: Ineff.=1.7% • > 100 s cut: Ineff.=6.5% <1 s cut: Ineff.=0.24% • <2 s cut: Ineff.=1%

  9. 系统误差 精确测量13的关键是控制系统误差 • 远点三年数据统计误差为0.2% （20吨靶质量/模块） • 系统误差主要来自反应堆、探测器系统误差、本底减除 • 反应堆误差~0.1% • 本底减除误差 0.1-0.3% • 探测器系统误差 • 靶质量误差 0.2-0.3% • 能量判选误差 0.2-0.3% • 时间判选误差 < 0.1% 降低探测效率误差 • 如有可能，尽量减少inefficiency • 否则，降低判选误差 确定靶质量

  10. Calibration system Steel tank PMT Mineral oil Liquid Scint. 20-t Gd-LS 3.1m acrylic tank 4.0m acrylic tank ~ 12% / E1/2 中心探测器结构 • 三层结构的同心圆柱体 • 靶层: 20 ton (0.1% Gd LAB-based LS) • 集能层: 20 ton (LAB-based LS) • 屏蔽层 : 40 ton (mineral oil) • 192个低本底8-in光电倍增管 • 上下加反射板 5m 5m

  11. 可见光光子    中子 中微子 正电子   MeV 伽马平均自由程~20cm 白油 液闪 掺钆液闪 液闪探测反应堆中微子

  12. Capture on H Capture on Gd 为什么要三层结构? • 白油屏蔽层减少天然放射性本底 • 不锈钢外罐、PMT玻璃等  50cm能减少20倍。 • 如果不加屏蔽层，需要做顶点判选去除放射性本底 • 需要高的顶点重建精度，更多的PMT • 顶点拟合带来的fiducial volume误差大，且不易确定 • 普通液闪层减少伽马能量泄露，减少Inefficiency，减少能量判选误差

  13. II 集能层厚度 • 提高中子探测效率，减少误差 • 由于cut处相对平滑，能量精度影响并不大 42.5 cm Inefficiency 9% 0 cm (换成靶物质） Inefficiency 25% 42.5cm 6 MeV判选误差（假定1%能量标度误差） 40ton 20ton 我们能够容忍的极限

  14. III 屏蔽层 • 矿物油（白油）~50cm • 不闪烁，使光源远离PMT • 屏蔽PMT玻璃、钢罐的放射性，， • 材料兼容性好 PMT表面到液闪应至少>15cm

  15. 反射板 • 探测器内上下采用反射板，是大亚湾实验的创新设计。 • 减少PMT约40% （需要覆盖的面积 91m2 55m2） • 机械结构更简单 • z向能量响应更均匀 • ESR反射膜~99%镜反射率

  16. 本底 • 9Li/8He （关联本底） • -n cascade, Prompt: , Delayed: n • “快中子” 本底 （关联本底） • Energetic neutrons produced by muon, Prompt: recoil proton, Delayed: thermalized neutron • Neutron emission by muon capture on C, O • 偶然符合本底 • Positron-like signal (Singles, <100 Hz) • Natural radioactivity (PMT, Rock, Steel Vessel, LS, … <50 Hz) • Muon, cosmogenic isotopes, etc • Neutron-like signal (<200/day) • Single neutrons: Muon  neutron  single neutron in detector • Long lived isotopes (e.g. 12B/12N) • Other events in 6-10 MeV (e.g. Michel’s electron, muon, etc) 来源：宇宙线，天然放射性

  17. 宇宙线子 最小离子化 200 MeV/m 大亚湾 ~3% Shower muon. Shower muon能产生大量的中子与长寿命同位素（占总数的50-80%），因此希望在Shower之后反符合较长时间，需要能够区分最小离子化muon和Shower muon. 中心探测器接受面积约15 m2 • 1000 MeV • 平均 600 p.e./PMT （假定PMT响应线性的话） • Muon产生散裂中子是天然的刻度源，需要很快回到基线测量中子 Shower

  18. PMT光电子数 • 液闪光产额 ~1万光子/MeV，中心探测器~120 p.e./MeV • 液闪衰减至60%，12%接受面积，20% PMT量子效率，80% PMT光电子收集效率 • 中微子事例阈值 1 MeV，每个探测器192 PMTs，平均 0.6 p.e./PMT 需要很好的单光电子探测能力。 8 MeV中子 各PMT看到的最大p.e.数 Fine range 0-200 p.e.

  19. Muon事例 PMT光电子数 • Full range 0-1000 p.e. 对shower muon与最小离子化muon的分界线1000 MeV，平均600 p.e./PMT。

  20. 10 20 30 40 50 60 70 80 (ns) 光电子时间分布 • 光子到达PMT表面的时间=液闪发光时间+飞行时间（光源到PMTs距离，直接光与反射光） PMT光电子时间分布 以第一个hit为T0 （正电子事例）  

  21. 电子学要求

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