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1、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Double Chooz 的比较,大亚湾中微子实验,目前热功率共 1
2、2GW, 2019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：DY
3、B/LA一个中点：MID一个远点隧道总长度：3000 m,实验安排,Baseline: 500mOverburden: 98mMuon rate: 0.9Hz/m2,1600m to LA, 1900m to DYBOverburden: 350mMuon rate: 0.04Hz/m2,Baseline: 360mOverburden: 97mMuon rate: 1.2Hz/m2,8% slope,0% slope,0% slope,0% slope,Baseline: 1000mOverburden: 208m,10-40 keV,Neutrino energy:,Neutrino Ev
4、ent: coincidence in time, space and energy,实验方法: 用液闪探测中微子,1.8 MeV: Threshold,t 180 or 28 ms(0.1% Gd),n + p d + g (2.2 MeV)n + Gd Gd* + g (8 MeV),探测器设计：多模块与多重反符合,Redundancy is a key for the success of this experiment,Other options are under investigation,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
5、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 14 cm,I,II,III,Position resolution 14cm,16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
6、厚(1cm)残余应力与液闪的化学反应粘接工艺清洁,Joint almost invisible,A 2m cylinder,八个不锈钢罐：5m5m,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Palo Verde : 55% antracene, 11m, 0.03%/dayChooz: 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
7、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,Gd-loaded scintillator developed at IHEP,High light yield, very transparentHigh flash point 147oC, environmentally friendly Low cost,LAB,Stability of Gd-loaded scintillator developed at BNL,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
8、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 1792 8” 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: 5106线性: 500 P.E.噪声: 5 KHz 15oC PE放射性: 238U, 232Th, 40K 20-50 ppb,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(0.5-8 MeV), 活度(1K
9、Hz), g/n,清洁物理事例刻度中子俘获宇宙线LED刻度: PMT gain, liquid transparency, 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 95%Muon 探测器, Eff. 90%RPCscintillator stripstotal ineff. = 10%*5% = 0.5%,Neutron background vs water shielding thickness,2m water
10、,水切伦科夫探测器,水池: 为国际上多个中微子实验采用需 900 PMT水箱: 为长基线中微子实验提出已完成模型实验需1248 PMT,阻性板探测器(RPC),在水箱上部精确标记宇宙线事例共三层, 2640 m2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: 0 500 p.e.电荷分辨率: 10% 1 p.e.噪声: 0.1 p.e.时间动态范围: 0 500 ns时间分辨率: 500ps 9U VME 规范16 道/读出板, 中心探测去需120 块板,RPC读出电子学,在BESIII实验中采用技术先进, 造价低廉
11、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RPC 3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 0.9MeV 100 MWE + 2m water Y.F. Wang et al., PRD64(2019)0013012 8He/9Li: 250 MWE(near)，10
12、00 MWE(far) T. Hagner et al., Astroparticle. Phys. 14(2000) 33,系统误差,基线优化及Sin22q13 灵敏度,反应堆关联误差: sc 2% 反应堆非关联误差: sr 1-2%中微子能谱误差: sshape 2%探测器关联误差: sD 1-2%探测器非关联误差: sd 0.5%本底误差: 宇宙线产生的快中子: sf 100%, 随机符合: sn 100%, 宇宙线产生的8Li, 9He, : ss 50%Bin-to-bin 误差: sb2b 0.5%,此公式自动考虑了远近点相对测量及探测器远近点交换造成的误差抵消,大亚湾实验测量 S
13、in22q13的灵敏度,大亚湾实验的其它物理目标,首次测量DM213测量超新星中微子寻找不活跃的中微子,大亚湾中微子实验可作为我国中微子物理研究的起点,已开展的预研：,实验大厅选址与勘探掺钆液体闪烁体的纯化，过滤与配制有机玻璃罐研制光电倍增管测试小模型研制电子学读出系统研制刻度方法研究,探测器模型研制,137Cs spectrum,Response at different locations,linearity,Resolution: 8.5%/E,项目队伍，组织与管理,国内队伍,高能物理研究所总体设计，隧道建设，探测器建造，读出电子学与数据获取，物理软件，安装调试中国原子能研究院刻度系统清
14、华大学触发北京师范大学光电倍增管测试深圳大学材料放射性测试中山大学光电倍增管测试南开大学刻度系统,国内还有其它单位可能参加，特别是中国广东核电集团作为大亚湾核电站群的业主，将正式参加本实验，对隧道建设，探测器建造，和反应堆物理分析将作出重要贡献。,中广核合作,中国科学院与中国广东核电集团有限公司月日在北京签署科技合作框架协议。双方将建立长期战略合作关系，为全面开展科技合作搭建基础平台，以共同推进我国核能先进技术、核物理、高能物理等领域科技创新事业的发展。10月13日，高能所大亚湾反应堆中微子实验工程指挥部成员王贻芳等一行五人访问中国广东核电集团，双方对大亚湾反应堆中微子实验项目的合作进行了多方
15、面的细致讨论，就建立联合办公室、建设地面实验站和实验用地问题等具体合作事宜达成了一致意见。,组织管理,高能所已成立大亚湾工程指挥部各系统骨干人员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七人执行委员会选举了发言人建立了工作小组初步讨论了各方的任务分工,North America (9)LBNL, BNL, Caltech, UCLAUniv. of Houston,Univ. of IowaUniv. of Wisconsin, IIT, Univ. of Illinois-Urbana-champagne,Asia (12)IHEP, CIAE,Tsinghua Univ.Zh
16、ongshan Univ.,Nankai Univ.Beijing Normal Univ., Shenzhen Univ., Hong Kong Univ.Chinese Hong Kong Univ.Taiwan Univ., Chiao Tung Univ.,National United Univ.,Europe (3)JINR, Dubna, RussiaKurchatov Institute, RussiaCharles university, Czech,Daya Bay collaboration,The Daya Bay Collaboration,X. Guo, N. Wa
17、ng, R. WangBeijing Normal University, Beijing 100875L. Hou, B. Xing, Z. ZhouChina Institute of Atomic Energy, Beijing 102413J. Cao, H. Chen, J. Fu, J. Li, X. Li, Y. Lu, Y. Ma, X. Meng, R. Wang, Y. Wang, Z. Wang, Z. Xing, C. Yang, Z. Yao, J. Zhang, Z. Zhang, H. Zhuang, M. Guan, J. Liu, H. Lu, Y. Sun,
18、 Z. Wang, L. Wen, L. Zhan, W. ZhongInstitute of High Energy Physics, Beijing 100039Z. Li, C. ZhouZhongshan University, Guangzhou 510275X.Q. Li, Y.Xu, S. FangNankai University, Tianjin 300071Y. Chen, H. Niu, L. NiuShenzhen University, Shenzhen 518060S. Chen, G. Gong, B. Shao, M. Zhong, H. Gong, L. Li
19、ang, T. XueTsinghua University, Beijing 100084M.C. Chu, W.K. NgaiChinese University of Hong Kong, Hong KongK.S. Cheng, J.K.C. Leung, C.S.J. Pun, T. Kwok, R.H.M. Tsang, H.H.C. WongUniversity of Hong Kong, Hong KongB.Y. HsiungNational Taiwan University, TaipeiG.L. Lin,F.S. Lee, Y.S. YehNational Chaotu
20、ng University, HsinchuC.H. WangNational United University, Hsinchu,Yu. Gornushkin, R. Leitner, I. Nemchenok, A. OlchevskiJoint Institute of Nuclear Research, Dubna, RussiaV.N. VyrodovKurchatov Institute, Moscow, RussiaZ. Dolezal, R. Leitner, V. Pec, V. VorobelCharles University, the Czech republicM.
21、 Bishai, M. Diwan, D. Jaffe, J. Frank, R.L. Hahn, S. Kettell, L. Littenberg, K. Li, B. Viren, M. YehBrookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973-5000, USAR.D. McKeown, C. Mauger, C. JillingsCalifornia Institute of Technology, Pasadena, CA 91125, USAK. Whisnant, B.L. Young Iowa State University, A
22、mes, Iowa 50011, USAW.R. Edwards, K.B. LukUniversity of California and Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USAV. Ghazikhanian, H.Z. Huang, S. Trentalange, C. Whitten Jr.University of California, Los Angeles, CA 90095, USAM. Ispiryan, K. Lau, B.W. Mayes, L. Pinsky, G. Xu, L. Le
23、banowskiUniversity of Houston, Houston, Texas 77204, USAJ.C. PengUniversity of Illinois, Urbana-Champaign, Illinois 61801, USAW. Luebke, C. WhiteIllinois Institute of TechnologyK. HeegerUniversity of Wisconsin, Madison, USA,联合办公室,中方项目经理王贻芳,美方项目经理W. Edwards,大亚湾中微子实验合作组,合作组发言人王贻芳，陆锦标,中心探测器张家文,物理与软件曹俊,
24、反符合探测器杨长根,安装与调试庄红林,DAQ与触发李小男,中方,美方,项目顾问团,其他,俄罗斯,台湾,隧道与实验厅张浩云,执行委员会,进度计划,各方可能的经费投入,美方贡献包括人员费，30%不可预见费,中方每年运行费,大亚湾实验对环境的影响,大亚湾实验要求极低放射性环境本底，本身不产生放射性大亚湾实验在隧道建设中，将遵守国家规定，将其对环境的影响降到最低大亚湾实验在隧道建设中，将采用矿山法。将按国家有关规定采取措施，使爆破对核电站的影响降到最低。大亚湾实验探测器采用约800吨有机溶液(LAB,洗涤剂原料)，闪点高达140oC, 在采取合理措施的情况下，应对环境没有影响。大亚湾实验探测器可能采用
25、可燃气体异丁烷。但其 8%的浓度未达到燃烧程度大亚湾实验在建设过程中，将按国家及业主的有关规章制度管理人员，保证安全,风险控制,经费管理：按国家及高能所的规章制度严格管理，杜绝浪费与灰色行为隧道：采取一切措施，在设计阶段将问题解决国际合作：如美方不履行诺言，将采取如下措施争取其它国际合作，如日本，意大利等争取国内其他资源改变设计：减小靶质量，放弃模块交换，简化反符合探测器，建设分步设计与发标细化设计模型实验注重安全工期严格管理,精心组织,努力敬业留有余地,小结,测量 Sin22q13 至 0.01 精度具有十分重要的物理意义，要求用反应堆中微子实验来测量 。大亚湾核电站是这类实验的理想场所，这
26、是中国基础科学发展的一个难得机遇。初步研究发现没有不可克服的技术困难，国内的工业界有能力完成主要任务。初步设计已经基本完成，工程设计已经开始。,谢谢！,Current Knowledge of 13,Global fitfogli etal., hep-ph/0506083,Sin2(213) 0.09,Sin2(213) 0.18,Direct search PRD 62, 072019,Allowed region,目前实验认为 sin22q13 0.09没有理由认为sin22q13 = 0，因为这要求新的物理对称性来保证大多数理论模型预言 sin22q13 0.1-10 %,发现sin2
27、2q13 =0 比测得sin22q13还要重要,Sin22q13 对任何大统一理论均有强烈的限制,实验精度达到 1% 极为重要,model prediction of sin22q13,Experimentally allowedat 3s level,Currently Proposed sites/experiments,大亚湾与加速器实验的比较,Detector dimension,Target mass: 20 tDimension of target: 3.2 m 3.2m,g Catcher thickness,Oil buffer thickness,Why three zone
28、s ?,Three zones:Complicated acrylic tank construction g backgrounds on walls Less fiducial volume Two zones:Neutrino energy spectrum distorted Neutron efficiency error due to energy scale and resolution: two zones: 0.4%, three zones 0.2%Using 4 MeV cut can reduce the error by a factor of two, but ba
29、ckgrounds from b+g do not allow us to do so,2 zone,3 zone,cut,cut,Capture on Gd,Capture on H,Vessel boundary,Reactor-related Uncertainties of Daya Bay,Based on experience of past experiments, due to uncertainty in measuring the amount of thermal power produced, the uncorrelated error per reactor cor
30、e p 2%. frF and frN are fractions of the events at the far and near site from reactor r respectively.,The error due to power fluctuations of the reactors is given by:,Energy Cuts,Dominated by energy scaleKamLAND 1%,Time Cuts,Neutron time window uncertainty:,t = 10 ns 0.03% uncertainty Use common clo
31、ck Baseline = 0.1% Goal = 0.03%,Livetime,Measure relative livetimes using accurate common clockUse LED to simulate neutrino eventsShould be negligible error,Target VolumeCan be cancelled by swapping,KamLAND: 1% CHOOZ: 0.02%? Flowmeters 0.02% repeatability Baseline = 0.2% Goal = 0.02%,H/C and H/Gd ra
32、tioCan be cancelled by swapping,H/C ratioCHOOZ claims 0.8% absolute based on multiple lab analyses (combustion)Use well defined liquid such as LAB and dodecaneR&D: measure via NMR or neutron capture Expected error: 0.1%-0.2%H/Gd ratioCan be measured by neutron activated x-rays and neutron capture ti
33、meFor Dt = 0.5 ms, error 0.02%,Cosmic-muons at the laboratory,Apply modified Gaisser parametrization for cosmic-ray flux at surfaceUse MUSIC and mountain profile to estimate muon flux & energy,Fast neutron spectrum from MC,Precision to determine the 9Li background in situ,Spectrum of accidental background,70,谢谢！,
