曹 俊 中国科学院 高能物理研究所 第五次高能物理学会战略研讨会，2014.12.21 中微子实验进展与规划 曹 俊 中国科学院 高能物理研究所 第五次高能物理学会战略研讨会，2014.12.21

新物理的窗口：中微子物理 中微子振荡 非振荡物理 中微子振荡主要研究手段： 1998年发现中微子振荡，证实中微子具有微小的质量。这是唯一超出粒子物理标准模型的实验现象。 由6个参数描述，已测4个半。 非振荡物理 无中微子双贝塔(0)过程: 中微子是否为自身反粒子？ 中微子的绝对质量？ 寻找反常现象 中微子天文学 中微子振荡主要研究手段： 太阳中微子：证实核聚变，12，m221，物质效应，太阳物理 大气中微子：发现中微子振荡， 23， m232，质量顺序 加速器中微子：验证大气中微子振荡， m232，CP相角 反应堆中微子：发现中微子，验证太阳中微子振荡, 13, 质量顺序

大亚湾反应堆中微子实验 在科技部、基金委、科学院、以及地方政府和中广核的联合支持下，自行设计和建造了大亚湾实验装置（2012年建成），目标为测量中微子混合角q13 。 自然界基本参数；关系到中微子物理未 来发展方向；与反物质消失之谜相关 3000 米隧道 5 个地下实验厅 8 个 110 吨重的中微子探测器 3 个水切伦科夫探测器(4400 吨纯净水） 3200 m2 阻性板探测器 8000 道电子学读出。

大亚湾国际合作组 41个合作单位，217 名科学家 美国承担了约一半的探测器， 俄、捷、港、台都有实质性贡献。 China Mainland 119 US 64 Hong Kong, China 12 Taiwan, China 10 Russia 6 Czech 4 Chile 2 41个合作单位，217 名科学家 美国承担了约一半的探测器， 俄、捷、港、台都有实质性贡献。 North America (16) Brookhaven Natl Lab, CalTech, Illinois Institute of Technology, Iowa State, Lawrence Berkeley Natl Lab, Princeton, Rensselaer Polytechnic, Siena College, UC Berkeley, Univ. of Cincinnati, Univ. of Houston, UIUC, Univ. of Wisconsin, Virginia Tech, William & Mary, Yale Asia (22) Beijing Normal Univ., CGNPG, CIAE, Dongguan Polytechnic, ECUST, IHEP, Nanjing Univ., Nankai Univ., NCEPU, NUDT, Shandong Univ., Shanghai Jiao Tong Univ., Shenzhen Univ., Tsinghua Univ., USTC, Xian Jiaotong Univ., Zhongshan Univ., Chinese Univ. of Hong Kong, Univ. of Hong Kong, National Chiao Tung Univ., National Taiwan Univ., National United Univ. South America (1) Catholic Univ. of Chile Europe (2) Charles University, JINR Dubna

大亚湾发展过程 2003年提出进行大亚湾中微子实验的设想。2003年11月 在香港大学召开第一次国际研讨会。2004年1月在高能所 召开第二次国际研讨会。 2006年2月正式成立国际合作组。 2006年先后在中国科学院、科技部立项 2007年10月破土动工 2011年8月15日1号厅取数，2011年12月24日3个厅同 时取数（6探测器，部分运行） 2012年3月8日宣布发现新的中微子振荡 2012年8-10月完成全部安装（8探测器），10月19日全 部运行。计划运行至2017年。

运行取数 (2011.12.24-2014.10.29) EH1 EH2 EH3

完成的物理研究 合作组前期论文： 2014年完成如下研究： 探测器性能，NIM A 685, 78 (2012) 引用 53 次 发现新中微子振荡，PRL108, 171803 (2012) 引用 1064 次 更新theta13结果: CPC 37, 011001 (2013) 引用 205 次 入选“2013年度中国百篇最具影响国际学术论文” 首次测量质量平方差, PRL112, 061801 (2014) 引用 71 次 2014年完成如下研究： 惰性中微子分析：PRL113,141802 (2014) [PRL亮点论文] 中子氢俘获 θ13分析: PRD90, 071101 (2014) 6+8探测器数据 (621 days) θ13 分析，在Neutrino 2014上公布 反应堆中微子能谱测量，在Neutrino 2014和ICHEP 2014上公布 几十篇技术论文

13 与 m2ee 最新结果 6+8 AD, 621 days 改进分析方法 能量标度误差（最主要的系统误差来源）从0.5%降为0.2% 能量非线性误差从2%降为1%。 进一步减少本底误差 (sin2213)/sin2213~6%，世界最好，也好于另两个混合角的精度 (m2ee)/m2ee ~5%, 已接近加速器实验，即将成为世界最高精度

反应堆中微子谱与惰性中微子 通过相对测量，较大地提高了惰性中 微子的排除范围。 测量了反应堆中微子绝对产额 测量了中微子能谱，发现与理论模型 比较，存在超出 反解出了反应堆中微子能谱，可做为 其它实验（如江门）的输入 中微子绝对产额 中微子能谱 正电子能谱

大亚湾未来研究 初步计划运行至2017年，科学目标包括： 高精度sin22θ13和m231（3%精度，现为6%，未来二三十年世界最高精度） 高精度反应堆中微子能谱 其他物理研究：中子/同位素产额，超新星预警SNEWS，惰性中微子、非标准相互作用，Lorentz/CPTV， Mass Varying  深入研究、理解探测器性能，为二期实验打好基础 2017年后：或退役，或Reduced Run，或其它物理

江门中微子实验 (JUNO) 广东江门开平 2万吨 测量中微子质量顺序成为国际焦点 2008年提出设想，2013年立项 NPP Daya Bay Huizhou Lufeng Yangjiang Taishan Status Operational Planned Under construction Power 17.4 GW 18.4 GW 阳江核电站 台山核电站 Daya Bay NPP Huizhou NPP Lufeng NPP 53 km Hong Kong Guang Zhou Shen Zhen 2.5 h drive Daya Bay ~60 km JUNO Previous site candidate 广东江门开平 地下 700 m 2万吨 测量中微子质量顺序成为国际焦点 2008年提出设想，2013年立项 总经费约20亿，2020年建成

探测器与物理目标 物理黄皮书，年底完成，明年初杂志发表 实验项目初步设计书中、英文版计划年底完成。 黄皮书 质量顺序 精确测量混合角 超新星中微子 超新星背景中微子 太阳中微子 地球中微子 大气中微子 惰性中微子 质子衰变 间接暗物质寻找 稀有事例寻找 刻度系统 读出电子学与触发 数据获取与慢控制 离线软件 土建系统 总体 中心探测器 反符合探测器 液体闪烁体 光电倍增管

质量顺序与精确测量 Current DYB II Dm212 3% 0.6% Dm223 5% sin2q12 6% 0.7% sin2q23 20% N/A sin2q13 14% 4% ~ 15% New physics searches: Check the unitary of mixing matrix to ~1% MH sensitivity with 6 years‘ data of JUNO (PRD88, 013008 (2013)) Ideal case: 4 with relative measurement, 5 with absolute Δm2 measurement Taking into account the spread of reactor cores, uncertainties from energy non-linearity, etc. 3 with relative measurement, 4 with absolute Δm2 measurement

国际竞争 JUNO: Competitive in schedule and Complementary in physics. M. Blennow et al., arXiv:1311.1822(2013) NOvA, LBNE:  PINGU, INO: 23=40-50 JUNO: 3%-3.5% JUNO: Competitive in schedule and Complementary in physics. Have chance to be the first to determine MH Independent of the yet-unknown CP phase and 23 (Acc. and Atm. do) Combining with other experiments can significantly improve the sensitivity Precise Δm312, θ12, Δm212, Geo-, solar, supernova, …, neutrinos 情况不断变化： LBNF, PINGU, Hyper-K

江门国际合作组 成员 320人 2014年7月 成立国际合作组 高能所 ~100 预期国际贡献 ~4000万欧元 国内大学 ~100 高能所 ~100 国内大学 ~100 欧洲 ~100 美国（观察员） 欧洲 (20) 法国（5） APC Paris CPPM Marseille IPHC Strasbourg LLR Paris Subatech Nantes 芬兰（1） U.Oulu 亚洲 (25) 北师大 地质科学院 原子能院 东莞理工 华东理工 广西大学 高能物理所 吉林大学 南京大学 南开大学 交通大学（台） 台湾大学（台） 联合大学（台） 华北电力 北京大学 山东大学 上海交大 四川大学 中山大学 清华大学 国科大 中科大 武汉大学 五邑大学 西安交大 意大利（6） INFN-Frascati INFN-Ferrara INFN-Milano INFN-Padova INFN-Perugia INFN-Roma 3 俄罗斯（1） JINR 德国（6） FZ Julich RWTH Aachen TUM U.Hamburg U.Mainz U.Tuebingen 比利时（1） ULB（观察员）

探测器主要设计研发进展(1) 2014年3月，中心探测器从3~4种方案缩减为2个方案。 细化设计；材料性能测试；模型试制 预期2015年确定基本方案 基本方案：有机玻璃罐+网架 备选方案：液袋(气球)+钢罐

探测器主要设计研发进展(2) 反符合探测器顶部径迹测器采用塑料闪烁体（OPERA实验 ，由法国提供） 水切伦科夫探测器正在考虑分隔内外层、径迹

探测器主要设计研发进展(3) 2014年4月研制出第一支20英寸MCP-PMT样管。性能符合预期 低本底玻璃、光阴极量子效率、收集效率都有重要进展 2015年初将建立探测器小模型（MCP-PMT+滨松PMT+展创PMT），测试性能和稳定性

探测器主要设计研发进展(4) 液闪光学纯化、放射性纯化（烷基苯工厂改进质量，Al2O3过滤，蒸馏，水萃取，氮萃取） 初步工程设计。2015年初在大亚湾地下实验室原型测试。

项目进度计划 Geological survey and preliminary civil design done in 2013 DYB 土建准备基本完成 2015年1月10日奠基仪式 3年完成土建 探测器R&D：2013-2016 现场安装：2018-2019 灌装、取数：2020 Geological survey and preliminary civil design done in 2013 DYB JUNO

MOMENT: A New Idea on ν Beam Daya Bay-II detector Neutrinos from muon decay Proton LINAC for ADS ~15 MW Energy: 300 MeV/150 km Phys. Rev. STAB 17, 090101 (2014) Neutrinos after the target/collection/decay: ~ 1021 n/year

是否进行加速器中微子实验？ Progress of ADS proton LINAC? What’s the physics after LBNE and Hyper-K? If there is physics, will a neutrino factory be built? The same team also collaborate in ProjectX (Targetry & decay beam window) and is in close contact with NuFact and ESSnu. ICFA-neutrino panel: Aiming at headline discoveries Looking for emerging scenarios DYB JUNO MOMENT

参与LBNF合作 MOMENT团队: 6个单位30多人 对质子加速器、靶站、中微子束流、中微子探测器进行了研究和关键技术研发 打靶后废弃质子束的处理、靶站的热负载和辐射屏蔽、强辐射场下的高场螺线管、 +/-分离、探测器选型和事例分析等。 展开了同LBNF的合作。一方面是对国际项目的贡献；另 一方面，培养欠缺的加速器中微子束方面的人才和掌握相 关技术和经验。 合作内容：质子束打靶、衰变通道和废束站等，涉及到模 拟计算、机械设计、研制和测试新型轻金属材料、抗辐射 材料实验研究、强子探测器等，以后还可能扩展到高能质 子束线。

COMET实验 COMET(Coherent Muon to Electron Transition)实验目 的是寻找带电轻子味道破坏(cLFV)，Phase-II预期单事例灵 敏度达到世界领先的10-17。 Phase-I得到日本政府批准并于2013年开工建设： 建设第一个90度的束流线； 单事例灵敏度𝟑.𝟏× 𝟏𝟎 −𝟏𝟓 Phase-II Phase-I

参与COMET情况 人力 职工：李卫国 李海波(中方负责人) 袁野 江晓山 张瑶 博士后：Yuki Fujii； 两名学生：吴琛 张杰 经费：基金重点360万，面上98万，高能所创新200万 承担任务 物理与本底分析；中心漂移室(CDC)前端电子学、软件、 模型性能分析与束流测试 为什么参加COMET？ 同LBNF：除物理外，强流质子打靶、pion收集、输运

EXO-200/nEXO 寻找0nbb过程 EXO-200/nEXO 寻找136Xe 0nbb过程 中微子是Majorana粒子？ Nature 510， 229 (2014) 寻找0nbb过程 中微子是Majorana粒子？ 轻子数守恒？ EXO-200/nEXO 寻找136Xe 0nbb过程 液氙TPC (80.6% 136Xe) 能量分辨: 1.4% (EXO-200), <1% (nEXO) 低本底: 151±19 ROI-1 ton-1 yr-1 (EXO-200) 3.7 ROI-1 ton-1 yr-1 (nEXO) @ ROI = Qββ±0.5·FWHM nEXO EXO-200 140 cm 40 cm ~150 kg ~5000 kg

IHEP in EXO-200/nEXO 温良剑，曹富广，江晓山等 EXO-200数据分析 nEXO 探测器模拟优化 nEXO 电荷读出模块 Charge readout prototype 温良剑，曹富广，江晓山等 EXO-200数据分析 nEXO 探测器模拟优化 nEXO 电荷读出模块 nEXO 电荷读出电子学 low noise (200 e-), cold electronics ICP-MS 实验室 低本底测量 ICP-MS meas. @ Stanford IHEP LXe system Pre-amp chip & test

调研项目：同位素富集 未来是否在国内开展0研究？ 自主实验： 136Xe气体TPC探测器（上海交大） （西班牙NEXT） 大力度参与nEXO（5吨80% 136Xe) ，请到锦屏 都需要发展同位素富集方法 就实验用同位素富集装置进行了初步调研与洽谈， 前景不明

调研项目：反应堆测惰性中微子 刘江来，CIAE Different technologies: (Gd, Li, B) (seg.)(movable)(2 det.) Most have sensitivity 0.02~0.03 @m~1eV2 @90%CL 刘江来，CIAE NuLat@NIST And later on ship Lhuillier, Neutrino 2014 J. Learned

调研项目：近距离反应堆实验 气体TPC（氙、氩或其它）距反应堆~20米（曹俊、温良剑） 主要动机：测量高精度反应堆中微子能谱（能量精度：大亚湾8%，江门 3%），为江门提供输入 测量弱混合角w 惰性中微子 中微子反常磁矩 法国MUNU实验：CF4 T > 700 keV mn < 0.9  10-10 mB (90% CL) PLB 615(2005)153

小 结 主线：反应堆中微子，未来考虑进行加速器中微子实验。 原创设计，以我为主。 大亚湾  江门  MOMENT 支线：参与国际合作，研究其它重要物理或技术（几百万） EXO，ProjectX (LBNF)，COMET 调研（储备项目）： nEXO同位素富集；气氙TPC 测0 ；Carr堆测惰性 中微子；近矩离气体TPC测能谱