大亚湾反应堆中微子实验 http://dayabay.ihep.ac.cn/ 曹 俊 中国科学院高能物理所 高能物理年会 2006

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment Outlines 实验目的与意义 实验方案设计 前期研究进展 项目进展 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 中微子振荡 Neutrino Mixing: PMNS Matrix Atmospheric Solar Reactor and LBL 已知: |Dm232|, sin22q23, Dm221, sin22q12 未知: sin22q13<0.17, dCP, Sign of Dm232 大亚湾实验的主要物理目标： 测量sin2213至好于0.01的精度(90%CL) J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 反应堆与加速器实验 解决简并 联合分析确定CP 反应堆实验可以唯一地确定13 Ref: hep-ex/0409028 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 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，研究大统一理论具有重要意义（可以排除相当多的大统一模型） 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？ 无论是正结果还是负结果， 大亚湾实验均具有重大的科学意义 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 国际竞争 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 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 用液闪探测反电子中微子 n + Gd  Gd* g s(8 MeV) t  28 ms(0.1% Gd) 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  地下实验室 + 时间符合、能量符合能极大地去除本底 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 13振荡 振荡极大在2公里处 利用远近相对测量消除反应堆流强误差(~3%） 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 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 地理位置 距香港 55 公里 距深圳 45 公里 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

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

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 实验布局 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：Far 隧道总长度：~3000 m LA: 40 ton Baseline: 500m Overburden: 98m 0% slope 0% slope Mid: Baseline: ~1000m Overburden: 208m Portal 0% slope Access portal Waste transport portal DYB: 40 ton Baseline: 360m Overburden: 97m 9.6% slope J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 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 足够的岩石覆盖，减少宇宙线带来的本底 （大亚湾最好） 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（大亚湾世界第二） 大亚湾：反应堆误差0.1%，单个探测器误差 ~0.4%，本底误差 <0.3% J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 靶质量（统计量） 三年数据量的实验灵敏度 远点4个20吨靶质量的中微子探测器 要求（远点）靶质量 > 80 吨 80 tons J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 中微子探测器 探测器模块化 近点各2个，远点4个 每个20吨靶质量，总重100吨 直径5米，高5米 三层结构： I. Target：掺钆液体闪烁体 II. -catcher：普通液闪 III. buffer：矿物油 中间用有机玻璃桶隔开 上下端面加反射层 降低造价 简化机械结构 224个 8”PMT/模块 I II III 掺钆液闪 （靶） 矿物油 普通液闪 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 反符合系统 (基本方案) PMT RPC 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 中心探测器 中心探测器 水箱切伦科夫探测器 水池切伦科夫探测器 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 水屏蔽层  tag 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2米水+45cm白油压低~107倍 其它材料如水泥：价格高、有天然放射性 屏蔽空气中的氡气 tag 中子 水 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 顶部反符合-RPC 基本方案（三层RPC，三选二触发） 主要本底：岩石中的在RPC中产生double compton散射 高能所的RPC已送到香港Aberdeen Tunnel lab（地下环境）测试 三选二 1.0 0.8 单层RPC J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 水箱探测器 王贻芳等为长基线中微子实验研发。 NIM A503, 141 (2003) NIM A562, 214 (2006) J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 反符合系统 (备选方案) 中微子探测器在空气中，维护方便，运输方便 造价高，技术复杂，氡气影响大 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 刻度系统 LED刻度：（固定在探测器内）PMT刻度，死时间 自动放射源刻度：定期、定点的能量刻度，中子效率刻度 手动放射源刻度：探测器内任意位置的能量、中子效率 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 电子学/触发/DAQ 触发所有单事例（总电荷与多重度触发）。 中微子探测器>0.7MeV单事例率~200 Hz Muon rate < 200 Hz 加上噪声，每个子探测器 <1kHz 中微子探测器与水切伦科夫探测器PMT采用相同读出 RPC采用与BESIII相同读出 共 ~ 4000 道PMT读出，10000道RPC读出 10k Byte/event，<1M Byte/second/site，每天~160GB数据 现场磁盘、磁带库备份，通过网络经香港中文大学传到北京和美国。 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment Sensitivity “近/远点”方案（完全运行方案） 三年数据 (0.2% statistical error) 每个近点2个20吨模块 远点4个20吨模块 探测器误差 ~ 0.4% 反应堆误差 ~ 0.1% 远点本底误差 ~ 0.2% 近点本底误差 ~ 0.3% 90% confidence level “近/中点”快速方案 9个月 大亚湾近点2个20吨模块 中点2个20吨模块 主要误差来自反应堆 ~ 1% J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 地质勘探已完成 钻孔 钻孔 钻孔 钻探岩芯 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 工程概念设计已完成 两个独立的设计（铁四院，黄河设计院） 考虑了隧道概念设计，地面设施，地下实验厅布局，出渣方式，探测器安装、运输方式，等等 计划明年4月以前完成工程设计 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 高能所小模型实验 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 小模型实验 137Cs 60Co 线性：Ba,Cs,Na,Co 能量精度：Ba,Cs,Na,Co 初步验证了探测器设计，训练了队伍，年底将进行掺钆液闪的实验 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 香港仔隧道实验室 Aberdeen Tunnel Exp. 地下250米，环境条件与大亚湾相同 已进行天然放射性测量，氡气测量，宇宙线测量，RPC测试等 将进行中子测量，Gd-LS试验等 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 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 年底将在小模型试验中进行0.5吨中试生产 检验高能所掺钆液闪的性能 BNL将与香港合作在Aberdeen Tunnel实验中测试 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 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 2006年10月，按973计划提交了预算和任务书 地方支持经费已达成较明确意向。 美能源部授权其下属7个研究机构书面承诺承担50%的探测器建造费用 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 与核电站建立了良好的合作 签订了合作协议 成立了“联合项目部” 广东核电集团承诺资金支持 签署合作协议 李鹏同志为大亚湾实验站题写站名 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 达成经费意向 经费来源 经 费 用 途 科学院 5千万元 隧道及地下实验室建设，地面设施建设，中心探测器钢罐，液体闪烁体，反符合探测器，读出电子学，触发及数据获取，刻度，数据分析 科技部 4千万元 基金委 1千万元 深圳市/广东省/中广核 ~ 7千万元 香港 ~ 30万美元 光二极管刻度，数据分析 台湾 ~ 100万美元 有机玻璃罐，数据分析 俄国 实物贡献 液体闪烁体，反符合探测器 美国DOE 探测器50% (2~3千万美元) 液体闪烁体，反符合探测器，刻度，光电倍增管，数据分析 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 国际合作组 Brookheaven Berkeley Caltech Princeton Illinoise Inst. Of Tech. UCLA Univ. of Wisconsin Univ. of Houston Univ. of Illinois at Urbana-Champane 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120人 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 国际合作 2006年2月按国际惯例组成合作组，制定了合作章程 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Kam-Biu Luk（陆锦标） 建立了9个工作小组 大致确定了各方的任务分工 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Transition/Closeout Phase 美国DOE 评审 CD-0 Approve Mission Need CD-1 Approve Alternative Selection and Cost Range CD-2 Approve Performance Baseline CD-3 Approve Start of Construction CD-4 Approve Start of Operations or Project Closeout Critical Decisions Preliminary Engineering and Design funds (PED) Project funds Initiation Phase Definition Phase Transition/Closeout Phase Execution Phase Project included in DOE Budget Program funds Physics Review 2005/11 2006/10 2007/4 2007/9 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月进行了物理评审，得到正面评价 最快2007年10月可得到第一笔建设资金 J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 实验进度计划 2007年4月开始隧道建设 2009年6月建成第一个中微子探测器模块 2009年9月运行“近/中点”快速测量 (精度 ~0.035） 2010年6月运行“近/远点”方案 运行3至5年 （精度<0.01） J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment

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