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大亚湾反应堆中微子实验

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. 中微子振荡. 1968 Davis 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

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大亚湾反应堆中微子实验

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 中微子振荡 • 1968 Davis 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10-3 eV2 8 10-5 eV2 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  3. 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） • Daya Bay (2010), Double Chooz（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 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  4. Atmospheric Reactor and LBL Solar CP破坏的强度与13相关 中微子混合 • PMNS Matrix Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  5. 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13>0.01，下一代长基线实验可以测定CP相角。 如果sin2213<0.01，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 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  6. 反应堆与加速器实验 反应堆( disappearance) 物理结果干净，造价低，速度快 mass hierarchy CP violation 加速器(e appearance) matter  测量CP，必须先确定sin2213 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  7. 反应堆与加速器实验（2） Ref: hep-ex/0409028 合作 竞争 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  8. 利用反应堆测量q13 Krasnoyarsk, Russia Braidwood, USA RENO, Korea D-Chooz, France Diablo Canyon, USA KASKA, Japan Daya Bay, 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 Angra, Brazil Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  9. 用液闪探测中微子 n + Gd  Gd* g s(8 MeV) t  28 ms(0.1% Gd) 时间符合、能量符合能极大地去除本底 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 Neutrino energy: 1.8 -10 MeV Visible Energy (e+): 1.022-9 MeV Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  10. 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 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  11. 实验要点 • 以前的中微子实验误差为3~6% • Chooz 测量结果：sin2213<0.17 • 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） Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  12. 大亚湾误差 探测器误差 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% Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  13. 地理位置 • 距香港 55 公里 • 距深圳 45 公里 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  14. 大亚湾与岭澳核电站 LingAo II NPP 2.9GW2Under construction (2010) LingAo NPP 2.9GW2 Daya Bay NPP 2.9GW2 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  15. Portal 实验整体方案 Far: 80 ton 1600m to LA, 1900m to DYB Overburden: 350m 两个近点：DYB/LA 一个中点：MID 一个远点 隧道总长度：~3000 m LA: 40 ton Baseline: 500m Overburden: 98m 0% slope 0% slope Mid:Baseline: ~1000m Overburden: 208m 0% slope Waste transport portal Access portal DYB: 40 ton Baseline: 360m Overburden: 97m 9.6% slope Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  16. 实验选点 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  17. I III II 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 ~200 8”PMT/模块 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  18. 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 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  19. 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 tag tag 中子 水 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  20. Daya Bay Chooz 探测器模拟：正电子效率 Positron Efficiency 99.6% Error ~0.05% (Assuming 2%energy scale error) Chooz 1.3MeV, error 0.8%（bad LS) KamLAND 2.6MeV, error 0.26% Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  21. Neutron Energy (MeV) 探测器模拟：中子效率 6MeV 45 cm gamma catcher GEANT energy Recon Neutron-capture energy cut efficiency 91%, Error ~0.2% (Assuming 1% energy scale error) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  22. 本底模拟 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  23. 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 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  24. Sensitivity 90% confidence level Three-year run (0.2% statistical error) Two near sites, 40 ton each 80 ton at Far site Detector error ~ 0.4% Far site background error 0.2% Near site background error 0.3% Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  25. 地质勘探已完成 far Lingao near mid 钻探岩芯 Daya near Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  26. 小模型实验 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  27. 小模型实验 137Cs 60Co 线性：Ba,Cs,Na,Co 能量精度：Ba,Cs,Na,Co Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  28. 掺钆液体闪烁体研制 研究单位： 高能所，BNL，JINR 长期稳定性试验 近期将在小模型中试验0.5吨中试生产 检测验高能所掺钆液闪的性能 BNL将与香港合作在Aberdeen Tunnel试验中测试 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  29. 国际合作组 • Brookheaven • Berkley • Caltech • UCLA • Princeton • Univ. of Illinois at Urbana-Champane • Illinoise Inst. Of Tech. • Univ. of Wisconsin • Univ. of Houston • Univ. of Iowa • Rensselaer Polytechnic Institute • Virginia Tech. • 高能物理研究所 • 中国原子能研究院 • 清华大学 • 北京师范大学 • 深圳大学 • 中山大学 • 南开大学 • 南京大学 • 香港大学 • 香港中文大学 • 台湾大学 • 台湾联合大学 • 台湾交通大学 • 俄罗斯 JINR • 俄罗斯 Kurchatov Inst. • 捷克 Charles 大学 共约100人 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  30. 国际合作组 • 按国际惯例组成合作组，制定了章程 • 组成了合作组委员会 • 选举了7人执行委员会： • 高能所：王贻芳，杨长根 • 伯克利实验室：陆锦标， • 加州理工学院：R.Mckeown • 台湾大学:熊怡 • 香港中文大学:朱明中 • 俄国杜布纳联合研究所:A. Olchevski • 选举了发言人： • 高能所王贻芳和伯克利实验室陆锦标 • 建立了9个工作小组 • 大致确定了各方的任务分工 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  31. 达成经费意向 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  32. 立项进展 • 2003年底开始启动 • 2006年4月29日，中国科学院正式立项，批准经费5千万 • 2006年8月15日，科技部（基金委）进行了可行性评审，有望近期内正式立项。 美国能源部立项流程 • CD0：是项目概念阶段，根据项目的重要性及经费、技术初步估计，决定该项目是否必要；（2005年11月已通过） • CD1：在不同的项目建议中选择最佳的建议，完成初步设计，缩小经费与进度的估计范围；（2007年2月，仅有大亚湾实验参加） • CD2：通过一个外部的独立评审检查项目的初步设计是否与预期一致； • CD3：最终确定设计、经费、进度等，批准使用经费； • CD4：完成项目建设，进入运行期。 • 2006年4月，能源部宣布不再支持大亚湾的竞争对手Double Chooz与Braidwood，并批准给大亚湾实验2006年度预研经费80万美元 • 2006年10月进行大亚湾实验的物理评审 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  33. 实验进度计划 • 2006年底完成隧道工程设计 • 2007年初完成隧道工程招标 • 2007年6月开始隧道建设， 2009年6月完成 • 2007年-2009年完成探测器建造 • 2010年探测器安装调试完毕，开始运行取数 • 运行3至5年 Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

  34. 感谢政府有关部门的大力支持感谢中广核集团过去三年来的大力支持感谢国内同行，各位专家的大力支持感谢政府有关部门的大力支持感谢中广核集团过去三年来的大力支持感谢国内同行，各位专家的大力支持 谢谢！

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