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sin22q13>0.01，下一代长基线实验可以测定CP相角。 如果sin22q13<0.01，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 12GW, 2011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

实验安排 两个近点：DYB/LA 一个中点：MID 一个远点 隧道总长度：~3000 m 1600m to LA, 1900m to DYB Overburden: 350m Muon rate: 0.04Hz/m2 两个近点：DYB/LA 一个中点：MID 一个远点 隧道总长度：~3000 m Baseline: 500m Overburden: 98m Muon rate: 0.9Hz/m2 0% slope Baseline: ~1000m Overburden: 208m 0% slope 0% slope Baseline: 360m Overburden: 97m Muon rate: 1.2Hz/m2 8% slope

Neutrino Event: coincidence in time, space and energy 实验方法: 用液闪探测中微子 t  180 or 28 ms(0.1% Gd) n + p  d + g (2.2 MeV) n + Gd  Gd* + g (8 MeV) Neutrino Event: coincidence in time, space and energy Neutrino energy: 10-40 keV 1.8 MeV: Threshold

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 Redundancy is a key for the success of this experiment

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 软件与物理分析系统 机械系统

Position resolution ~14cm 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 III II Position resolution ~14cm

16个有机玻璃罐 设计： 制造 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 成型方法 精度(<2mm) A 2m cylinder 制造 成型方法 精度(<2mm) 强度/壁厚(<1cm) 残余应力 与液闪的化学反应 粘接工艺 清洁 Joint almost invisible

八个不锈钢罐：5m×5m 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: 过去的问题： 不稳定 高能所目前已取得的成绩: 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%/day Chooz: ~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 LAB 研究单位： 高能所，BNL，JINR High light yield, very transparent Gd-loaded scintillator developed at IHEP Sample Atten. Len. (m) Light yield 2: 8 mesitylene: dodecane(LS) 15.0 - LAB PPO+ bis-MSB(Flour) in LS 11.3 0.459 0.2% Gd-EHA + Flour + LS 8.3 0.528 Flour + LAB 23.7 0.542 0.2%Gd-TMHA+Flour+LAB 19.1 0.478 LAB High light yield, very transparent High flash point 147oC, environmentally friendly Low cost 研究单位： 高能所，BNL，JINR Stability of Gd-loaded scintillator developed at BNL

批量生产 液闪的配制 液闪的处理 液闪的灌装 配方 混合程序 混合设备 原料 放射性元素的去除 灰尘的去除 有害化学元素的去除 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: > 5×106 线性: > 500 P.E. 噪声: < 5 KHz @ 15oC @ ¼ 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, … 物理事例刻度 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(<1KHz), 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： 解决办法：两套探测器： 效率 > 99.5% 效率误差 < 0.25% 解决办法：两套探测器： 水切伦科夫探测器, Eff.>95% Muon 探测器, Eff. > 90% RPC scintillator strips total ineff. = 10%*5% = 0.5% Neutron background vs water shielding thickness 2m water

水切伦科夫探测器 水池: 水箱: 为国际上多个中微子实验采用 需~ 900 PMT 为长基线中微子实验提出 已完成模型实验

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: 9U VME 规范 16 道/读出板, 中心探测去需120 块板 电荷动态范围: 0 ~ 500 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 指标: 位置信息(hit)

触发系统 每个探测器模块一个独立触发 每块触发板: 时钟分布系统 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 宇宙线造成的关联误差: n  Em0.75 中子: >100 MWE + 2m water 非关联误差: U/Th/K/Rn/neutron 单gamma 记数率 @ 0.9MeV < 50Hz 单中子记数率 < 1000/day 2m water + 45 cm oil shielding 宇宙线造成的关联误差: n  Em0.75 中子: >100 MWE + 2m water Y.F. Wang et al., PRD64(2001)0013012 8He/9Li: > 250 MWE(near)，>1000 MWE(far) T. Hagner et al., Astroparticle. Phys. 14(2000) 33 Near far Neutrino signal rate(1/day) 560 80 Natural backgrounds(Hz) 45.3 Single neutron(1/day) 24 2 Accidental BK/signal 0.04% 0.02% Correlated fast neutron Bk/signal 0.14% 0.08% 8He+9Li BK/signal 0.5% 0.2%

系统误差 Chooz Palo Verde KamLAND Daya Bay Reactor power 0.7 2.05 <0.13% Reactor fuel/n spectra 2.0 2.7 n cross section 0.3 0.2 No. of protons H/C ratio 0.8 1.7 0.2  0 Mass - 2.1 Efficiency Energy cuts 0.89 0.26 Position cuts 0.32 3.5 Time cuts 0.4 0. 0.1 P/Gd ratio 1.0 0.1  0 n multiplicity 0.5 <0.1 background correlated 3.3 1.8 uncorrelated Trigger 2.9 livetime 0.03

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% 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 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%

大亚湾实验测量 Sin22q13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

Response at different locations linearity Resolution: 8.5%/E 137Cs spectrum Response at different locations 0.662 MeV 1.022 MeV 1.173 MeV 1.275 MeV 1.332 MeV 2.295 MeV 2.505 MeV linearity

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 南开大学 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９月２９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

Daya Bay collaboration Europe (3) JINR, Dubna, Russia Kurchatov Institute, Russia Charles university, Czech North America (9) LBNL, BNL, Caltech, UCLA Univ. of Houston,Univ. of Iowa Univ. of Wisconsin, IIT, Univ. of Illinois-Urbana-champagne Asia (12) IHEP, CIAE,Tsinghua Univ. Zhongshan Univ.,Nankai Univ. Beijing Normal Univ., Shenzhen Univ., Hong Kong Univ. Chinese Hong Kong Univ. Taiwan Univ., Chiao Tung Univ., National United Univ.

The Daya Bay Collaboration Yu. Gornushkin, R. Leitner, I. Nemchenok, A. Olchevski Joint Institute of Nuclear Research, Dubna, Russia V.N. Vyrodov Kurchatov Institute, Moscow, Russia Z. Dolezal, R. Leitner, V. Pec, V. Vorobel Charles University, the Czech republic M. Bishai, M. Diwan, D. Jaffe, J. Frank, R.L. Hahn, S. Kettell, L. Littenberg, K. Li, B. Viren, M. Yeh Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973-5000, USA R.D. McKeown, C. Mauger, C. Jillings California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125, USA K. Whisnant, B.L. Young Iowa State University, Ames, Iowa 50011, USA W.R. Edwards, K.B. Luk University of California and Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA V. Ghazikhanian, H.Z. Huang, S. Trentalange, C. Whitten Jr. University of California, Los Angeles, CA 90095, USA M. Ispiryan, K. Lau, B.W. Mayes, L. Pinsky, G. Xu, L. Lebanowski University of Houston, Houston, Texas 77204, USA J.C. Peng University of Illinois, Urbana-Champaign, Illinois 61801, USA W. Luebke, C. White Illinois Institute of Technology K. Heeger University of Wisconsin, Madison, USA X. Guo, N. Wang, R. Wang Beijing Normal University, Beijing 100875 L. Hou, B. Xing, Z. Zhou China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413 J. 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, Z. Wang, L. Wen, L. Zhan, W. Zhong Institute of High Energy Physics, Beijing 100039 Z. Li, C. Zhou Zhongshan University, Guangzhou 510275 X.Q. Li, Y.Xu, S. Fang Nankai University, Tianjin 300071 Y. Chen, H. Niu, L. Niu Shenzhen University, Shenzhen 518060 S. Chen, G. Gong, B. Shao, M. Zhong, H. Gong, L. Liang, T. Xue Tsinghua University, Beijing 100084 M.C. Chu, W.K. Ngai Chinese University of Hong Kong, Hong Kong K.S. Cheng, J.K.C. Leung, C.S.J. Pun, T. Kwok, R.H.M. Tsang, H.H.C. Wong University of Hong Kong, Hong Kong B.Y. Hsiung National Taiwan University, Taipei G.L. Lin,F.S. Lee, Y.S. Yeh National Chaotung University, Hsinchu C.H. Wang National United University, Hsinchu

H.S. Chen, S. Aronson, J. Segrist   实验监管机构(LOG) H.S. Chen, S. Aronson, J. Segrist   中方项目经理及 管理办公室 美方项目经理及 发言人与合作 执行委员会 项目顾问团 (PAP) 美国能源部 中国政府部门 其它 国际资金委员会 (IFC)

合作组发言人 王贻芳，陆锦标 中方 美方 大亚湾中微子 执行委员会 实验合作组 项目 顾问团 俄罗斯 其他 台湾 中方项目经理 王贻芳     项目 顾问团   合作组发言人 王贻芳，陆锦标   中方项目经理 王贻芳 美方项目经理 W. Edwards   中方 美方 联合办公室   隧道与实验厅 张浩云 中心探测器 张家文 反符合探测器 杨长根 DAQ与触发 李小男 物理与软件 曹俊 安装与调试 庄红林     俄罗斯   台湾 其他

进度计划

各方可能的经费投入 经费来源 经 费 用 途 科学院 5千万元 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 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 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 建设 工期 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 Direct search PRD 62, 072002 Global fit fogli etal., hep-ph/0506083 Direct search PRD 62, 072002 Sin2(213) < 0.18 Sin2(213) < 0.09 Allowed region

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 % model prediction of sin22q13 Sin22q13 对任何大统一理论均有强烈的限制 Experimentally allowed at 3s level 实验精度达到 ~ 1% 极为重要

Currently Proposed sites/experiments (proposal) Power (GW) Baseline Near/Far (m) Detector Near/Far(t) Overburden Near/Far (MWE) Sensitivity (90%CL) Starting time Braidwood (US) 6.5 270/1510 265/ 265 464/464 ~ 0.008 - Chooz-II (France) 8.7 150/1067 10/10 60/300 ~ 0.03 2008 f 2009 n+f Daya Bay (China) 11.6 360//500/ 1800 40//40/80 260/260/910 2010 Kaska (Japan) 24.3 350/1600 6/6/2 6 90/90/260 ~ 0.02 2009/ Reno (S. Korea) 17.3 150/1500 20/20 230/675

大亚湾与加速器实验的比较

Detector dimension Target mass: 20 t Dimension of target: 3.2 m ×3.2m Oil buffer thickness Isotopes Purity(ppb) 20cm(Hz) 25cm (Hz) 30cm(Hz) 40cm(Hz) 238U(>1MeV) 50 2.7 2.0 1.4 0.8 232Th(>1MeV) 1.2 0.9 0.7 0.4 40K(>1MeV) 10 1.8 1.3 0.5 Total 5.7 4.2 3.0 1.7 g Catcher thickness

Why three zones ? Three zones: Two zones: Vessel boundary 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 backgrounds from b+g do not allow us to do so Capture on Gd Capture on H 3 zone 2 zone cut cut

Reactor-related Uncertainties of Daya Bay The error due to power fluctuations of the reactors is given by: Based on experience of past experiments, due to uncertainty in measuring the amount of thermal power produced, the uncorrelated error per reactor core p  2%. frF and frN are fractions of the events at the far and near site from reactor r respectively. # Reactor Cores Syst. error due to Power Fluctuations Syst. error due to Core Positions Total syst. error 4 0.035% 0.08% 0.087% 6 0.097% 0.126%

Energy Cuts Dominated by energy scale KamLAND ~ 1% Cut, error~0.05% 3 zone Cut, error ~0.2%

Time Cuts Neutron time window uncertainty: t = 10 ns  0.03% uncertainty Use common clock Baseline = 0.1% Goal = 0.03% 1.5% Loss 0.15% Loss

Livetime Measure relative livetimes using accurate common clock Use LED to simulate neutrino events Should be negligible error

Target Volume Can be cancelled by swapping KamLAND: ~1% CHOOZ: 0.02%? Flowmeters – 0.02% repeatability Baseline = 0.2% Goal = 0.02%

H/C and H/Gd ratio Can be cancelled by swapping H/C ratio CHOOZ claims 0.8% absolute based on multiple lab analyses (combustion) Use well defined liquid such as LAB and dodecane R&D: measure via NMR or neutron capture Expected error: 0.1%-0.2% H/Gd ratio Can be measured by neutron activated x-rays and neutron capture time For Dt = 0.5 ms,  error ~ 0.02%

Cosmic-muons at the laboratory DYB LA Mid Far Elevation (m) 97 98 208 347 Flux (Hz/m2) 1.2 0.73 0.17 0.045 Energy (GeV) 55 60 136 Apply modified Gaisser parametrization for cosmic-ray flux at surface Use MUSIC and mountain profile to estimate muon flux & energy

Precision to determine the 9Li background in situ Spectrum of accidental background Fast neutron spectrum from MC