大亚湾反应堆中微子实验进展 王 萌 代表大亚湾国际合作组 大亚湾反应堆中微子实验进展 王 萌 代表大亚湾国际合作组 高能物理学会第十届全国粒子物理学术会议 南京 2008年4月26日

实验简介

什么是大亚湾实验 大亚湾实验是在大亚湾核电站群附近，通过探测其核聚变过程中发射出的电子反中微子的消失，来精确测量中微子的混合角之一θ13。 通过优化选择远近实验点，建设地下实验室，以及自行设计的新型探测器，大亚湾实验可以在90%的置信度下，将sin22θ13测量到0.01的精度。 大亚湾实验是第一次由中国主导的大型基础科学国际合作项目，大亚湾国际合作组由中国（包括台湾和香港）、美国、俄罗斯和捷克六个国家和地区的30多个研究单位和大学的200多位研究人员组成。

大亚湾国际合作组 ~ 200位研究人员 欧洲 (3) 俄国联合核子研究所， 俄国库尔恰托夫研究所 捷克查尔斯大学 美国 (14) 布鲁克海文国家实验室，加州理工学院 ，乔治理工大学，伊利诺州理工学院 ，衣阿华州立大学 ，劳伦斯伯克利国家实验室 ，普林斯顿大学 ，伦斯勒理工学院，加州大学伯克利分校 ，加州大学洛杉矶分校 ，休斯敦大学 ，伊利诺州大学香槟分校，威斯康辛州大学麦迪逊分校 ，弗吉尼亚工学院和州立大学 中国 (18) 高能所，北师大, 成都理工大学，原子能院，中广核，东莞理工学院，南京大学，南开大学，山东大学，深圳大学，清华大学，中国科技大学，中山大学， 香港大学，香港中文大学，台湾大学，交通大学，联合大学 欧洲 (3) 俄国联合核子研究所， 俄国库尔恰托夫研究所 捷克查尔斯大学 ~ 200位研究人员

为什么是θ13 三味中微子振荡模型由三个混合角，两个质量方差，一个CP相位描述，θ13是混合角之一。 θ13目前最好的结果由Chooz给出，而CP破坏的相位还没有任何测量。 大多数理论模型预言sin22q13 ~ 0.001-0.1 θ13的精确测量 其结果将决定未来轻子区CP破坏的测量，从而有可能解决宇宙中正反物质的不对称之谜。 对标准模型的扩展提供更强的约束。 At m231 = 2.5  103 eV2, sin22 < 0.15 90％CL

三味中微子的振荡模型 质量谱： 混合矩阵： 参数化混合矩阵（PMNS矩阵，忽略了Majorana项）： 太阳，反应堆 反应堆，加速器 大气，加速器

为什么是大亚湾 反应堆中微子是测量θ13的最佳选择，因为其振荡只由θ13决定，不受CP相位角的干扰，从而弥补基于加速器中微子的长基线实验的不足。 大亚湾核反应堆群是世界上最强的中微子源之一，目前总热电功率11.6GW，2011年岭澳二期运行后，将达到17.4GW，成为世界上第二大反应堆群。 Φν＝1.9x1020 Pth(GW) s-1 距离大亚湾反应堆1公里处中微子的通量~2x1010cm-2s-1 大亚湾核电站紧邻高山，为建造地下实验室以屏蔽宇宙线导致的本底提供了得天独厚的条件。

反电子中微子的探测 利用反β衰变测量反电子中微子： 快信号：末态正电子和电子湮灭后发出两个能量大于0.5MeV的光子 快慢信号延迟符合确定中微子事例

反电子中微子的振荡几率 反β衰变的能谱 反应堆发射的中微子能谱 反β衰变的反应截面

怎样达到0.01的精度 sources Uncertainty Reactors 0.087% (4 cores) 相同的探测器在远近点进行相对测量，有效地消除与反应堆相关的系统误差。 建造地下实验室压缩宇宙线引起的本底。 严格控制和选择探测器材料（钢材、焊条、PMT等）以降低天然放射性本底。 足够的统计量。 sources Uncertainty Reactors 0.087% (4 cores) 0.13% (6 cores) Detector (per module) 0.38% (baseline) 0.18% (goal) Backgrounds 0.32% (Daya Bay near) 0.22% (Ling Ao near) 0.22% (far) Signal statistics 0.2%

实验设计 ~1200/day 近点 ~350/day 远点 B/S ~0.4% 近点 B/S ~0.2% 远点 通过近点与远点探测器进行相对测量，以消除与反应堆有关的系统误差 两个近点与一个远点探测器之间用隧道连接，共3100m 事例率： ~1200/day 近点 ~350/day 远点 本底： B/S ~0.4% 近点 B/S ~0.2% 远点 岭澳近点： 2个探测模块共 40 吨靶 500m至岭澳堆 顶层岩石覆盖: 112m 远点: 4个探测模块共 80 吨靶 1600m 至岭澳堆 1900m 至大亚湾堆 顶层岩石覆盖： 350m 0% slope 0% slope 0% slope Access portal 大亚湾近点： 2个探测模块共 40 吨靶 360m至大亚湾堆 顶层岩石覆盖: 98m 8% slope

探测器总体设计 多模块反中微子探测器以降低误差并互相校验 多重宇宙线反符合探测器： 两层水切伦科夫探测器 顶层RPC探测器 总效率 > (99.5±0.25)%

实验进展

完成隧道与实验大厅设计 隧道总长度约3100m 三个地下实验大厅 一个地下装配大厅 一个地下水处理大厅

开工典礼 2007年10月13日，在深圳中国广东核电集团大亚湾核电基地破土动工，相关领导和嘉宾出席典礼并发表了讲话。

隧道工程 2008年2月19日开始爆破作业 隧道挖掘正在进行中 主隧道 土建隧道

反中微子探测器的总体设计 圆柱形，直径5米，高5.3米 装配完的空探测器总重31吨 液体灌装后总重110吨 三层同心圆柱结构： 不锈钢外罐 装白油，厚0.488m，高4.976m 内壁环放光电倍增管 内壁涂黑 外有机玻璃罐 装普通液闪，厚42.5cm，高3.97m 内有机玻璃罐 装掺钆液闪，直径3.1m，高3.1m 靶重20吨 外有机玻璃罐上下加反射板 钢罐顶盖提供各种接口

钢罐总体机械设计 尺寸重量受严格限制 足够的强度 接口复杂 电缆穿出 最小元分析应力分布 4m有机玻璃罐 反射板 桶底与反射板

支撑平台与吊具 支撑平台 中心探测器在水池中的支撑平台已完成工程设计，并招标。 要求支撑110吨探测器，水平度可调至毫米量级（刻度装置要求） 装配用35吨吊具，安装用130吨吊具。 已完成概念设计和详细的技术要求文档，将由专业公司设计生产 2008年2月底完成设计，2008年6月底完成生产

有机玻璃罐的设计 包括4m和3m的有机玻璃罐 工程设计已经完成，试制了原型 模拟研究了各种偏移和形变下对物理结果的影响 2008年5月开始招标，计划到2009年5月生产8套 原型 有限元分析 设计效果图 模拟研究

反射板 大亚湾的独创设计，在基本不降低探测器性能的情况下，可减少近一半的光电倍增管，大大地降低造价 采用有机玻璃板夹反射膜的三明治结构 反射板原型，高能所3号厅

掺钆液闪 固体络合物工艺流程图 地下液闪混制厅 配置液闪 掺钆液闪是实验的核心技术之一，也是核探测技术的国际前沿。 高能所经过系统试验，率先采用异壬酸为配体配置钆的固体络合物，获得稳定、高质量的掺钆液闪，该配方已被大亚湾合作组确定为掺钆液闪的生产方案。 已完成固体络合物生产和现场混制的流程设计。 完成了液闪的混制、储存和灌装的总体方案与步骤： 修建三个200吨的存储池（内衬方案还在调研） 混制200吨掺钆液闪和普通液闪，注入存储池 依次灌装反中微子探测器  整个实验的关键：所有液闪均为同一批次，消除C/H和Gd/H的误差 固体络合物工艺流程图 地下液闪混制厅 200t Gd-LS 200t LS 200t Oil 配置液闪

掺钆液闪固体络合物生产装置 Platform 高能所3号厅净化间 Stirrer 600L AV 300L AV Filter AV Metering Pump

光电倍增管 总共约需要3000个 反中微子探测器：192x8=1536 水切伦科夫探测器：289x2+384=962 完成了包括底座、支架、高压信号分解器、电缆等的设计、审核和招标。 正在研制和准备批量测试系统以及现场测试工作。

刻度系统 自动刻度装置 定期定点自动刻度 三种刻度源： 已完成工程设计，开始研制模型 手动刻度装置 不定期全体积刻度 多种放射源 68Ge, 252Cf, LED 已完成工程设计，开始研制模型 手动刻度装置 不定期全体积刻度 多种放射源 已完成设计和招标

探测器的组装与安装 大型净化间，中心探测器装配、清洁、测试 计划2008.7 建成，开始中心探测器装配 地面装配大厅

反符合探测器的总体设计 由水切伦科夫探测器和RPC探测器构成。 对宇宙线muon总的探测效率达：(99.5±0.25)% 两者互相可以进行探测效率的校正。 RPC探测器 水切伦科夫探测器

水切伦科夫探测器 注满纯净水的八角形水池 使纯净水循环更容易 长x宽x高：16x16x10m3（远点），16x10x10m3（近点） 中微子探测器排列中间，间距1m，保证被大于2.5m水层围绕。 Tyvek将水池分成内外层，分别排放8”PMT构成内、外（厚1m）水切伦科夫探测器，每个PMT覆盖约4m2。 已完成支撑结构的设计和PMT的固定方案。 纯净水净化系统方案已基本确定。 水池内衬和顶部密封已有方案，即将决定。

RPC探测器 完成了总体方案设计： 每个模块2m2m，4层单气隙RPC室 高压对探测效率的影响 在香港的地下实验室里验证本底与噪声 生产工艺基于BESIII发展的技术 完成了裸室设计 改进了生产与测试设备 改进了生产工艺 改进了质量管理体系 已经开始了裸室的批量生产。 高压对探测效率的影响 阈值对效率的影响 裸室的设计 原型

RPC的无死区叠放和支撑 叠放的设计 叠放的模型 支撑结构设计

在线系统 读取并记录所有子探测器的数据，物理事例，探测器刻度事例与本底事例 实时监测数据获取系统状态和数据质量 已完成前端电子学读出板（FEE）的设计。 初步完成触发板（LTB）的设计。 正在高能所的小模型上进行试验。 读出电子学和触发系统 数据获取系统

离线系统 在高能所建立了由20台双核CPU服务器和10TB磁盘阵列组成的计算机集群。 开发了基于Geant4的模拟软件 基于高能所的小模型实验，完成和检验了完整的光学模型 满足和实现了探测器设计的模拟 建立了基于框架软件（Gaudi）的计算环境。 框架软件结构 宇宙线事例的模拟

探测器模拟 中子探测效率与集光层厚度的关系 灵敏度和靶总靶质量的关系 PMT对液闪中不同位置电子的响应 42.5cm, 91% 4x20 吨

总结

。。。过去 去年以来顺利通过了一系列重要的评审 2007年3月，土建初步设计评审 2007年4月，核安全评审 2007年4月，美国能源部CD-1评审会 2007年8月，科技部对大亚湾项目初步设计报告进行评审 2007年12月，科技部973项目中期总结和评估 2008年1月，美国能源部CD-2评审会 已经完成了从最初的概念设计到实际设计 大亚湾实验正按计划进入紧锣密鼓的建造阶段

未来。。。 进度计划表： 2008年11月：大亚湾近厅准备使用 2009年11月：大亚湾近厅开始物理取数 2010年7月：岭澳近厅开始物理取数 2010年12月：大亚湾远厅开始物理取数 。。。 “我们有信心高质量地按时完成大亚湾实验的各项任务，取得科学成果” ——王贻芳，于973计划中期评估

谢谢大家

Backup

正电子和中子的探测效率 正电子：E > 1MeV 中子：E > 6MeV ε~93%, σε~0.1% 12％的能量分辨ε=99.85% 能量刻度引起的误差~0.05% 中子：E > 6MeV ε~93%, σε~0.1% 1%能量刻度误差σε~0.2%

对8MeV电子得顶点重建得分辨率是~12.5cm，好于中子俘获顶点的不确定性~20cm 能量和位置重建 用最大似然法进行能量和定点重建 对8MeV电子得顶点重建得分辨率是~12.5cm，好于中子俘获顶点的不确定性~20cm 8MeV电子能量重建的分辨率是~4.1%

修正的宇宙线muon通量公式和原公式的比较，点是实验数据 宇宙线μ的模拟 大亚湾实验所在山体的三位图 修正的宇宙线muon通量公式和原公式的比较，点是实验数据

水切伦科夫探测器的性能 IWS: 阈值11个PMT, 效率98.1% OWS: 阈值13个PMT, 效率97.7% 联合探测效率：98.3% IWS: σ~40cm OWS: σ~70cm muon径迹到水池中心距离的重建值和真实值之差 Threshold of 11PMTs needed for IWS to reduce the random rate to 50Hz, 13PMTs for OWS

事例类型