申请“晨光杯”答辩报告 中微子水基切伦科夫 量能器的研究及应用 陈明君 中国科学院高能物理研究所 中国桂林•20061029

报告内容 水基切伦科夫量能器模型 探测器的性能分析 在大亚湾实验的应用

Neutrino Oscillation U is MNSP matrix： To describe neutrino oscillation，we need: two mass squares, three mixing angles and one CP phase δ

长基线中微子振荡 在最大振荡几率条件下： 例如：

水基契伦可夫量能器

文献#中提出了一种新型探测器 可用于极长基线中微子振荡实验 #：Yi-Fang Wang Nucl. Instr. & Meth. A 503(2003):141

Water Tank Cherenkov Radiation Neutrino beam Photons Leptons: e,μ,τ Charge Current Process Detected by PMTs Single Water Tank －－》Energy Deposit Multi Water Tanks－－》Neutrino Event

实验室坐标系 原点在水箱中部 我们所构造的一个水基切伦科夫量能器 水箱的材料：PVC 尺寸： 1m×1m×13m 两端的形状：Winston Cone抛物面结构 水箱内部贴有反射系数约为90％ (300nm~600nm)的Tyvek膜和铝膜 光子的接收端是8英寸的光电倍增管(PMT) 使用去离子纯净水（电阻率>10MΩ·cm) 水箱的进水口装有0.1μm级的二层过滤装置系统

Water Tank Prototype

放置在水箱正X轴向的PMT在高压1550V条件下， 利用热噪声法测得的单光子峰电荷谱。 第一个峰对应于台基，第二个峰来自大于阈2mV打拿极噪声，最右一个峰是单光子峰。拟合采用的ROOT分析工具包，用此得到单光子峰位可以数出探测到的光电子数。 从图上可以清楚的看出，这个光电倍增管有良好的峰谷比(约为1.5)和很小的噪声

μ在水箱X＝0.5m处垂直入射，得到的一个电荷谱

Energy Res. 7%/Sqrt(E(GeV)) Muons vertically pass through the prototype with the different positions X is the distance from the trigger counters to the PMT at right end. Effective absorption length of the water tank: 5.74+/-0.29(m)

Muons pass through the water tank with different angles at x=0.5m Muons pass through the water tank with different angles The track lengths of all data points are normalized to 1m

以上的方法，大约可以提高光的收集量两倍，对应的能量分辨率约 为 。这结果是和我们最初的设计报告* 是相符合的。 一些提高水箱的光收集效率的方法： 1，利用复杂的水的净化装置可以明显的提高水的衰减长度。事实上，Super－K实验直接测量出其水的本征衰减长度最大可达到100m以上。而我们模拟程中最大值约取为30m。 2，利用最近发展的具有极高反射率的塑料反射材料。比如3M Co.生产的VM2000、ESR等，其反射率可超过99％。这样可以增加50％以上的光收集量。 以上的方法，大约可以提高光的收集量两倍，对应的能量分辨率约 为 。这结果是和我们最初的设计报告* 是相符合的。 * Chen H.S., et al., hep-ph/0104266

Some MC Results

Results form MC simulation: efficiency vs background rejection power for different favors

研究结果表明 它是极长基线中微子振荡实验的一个非常优秀的探测器候选者！ 1，该量能器的光产额，探测效率，水的有效衰减长度和粒子入射角度依赖关系 都能很好的满足极长基线中微子振荡实验。 2，基于蒙特卡罗模拟，对于电子中微子和陶中微子的出现几率和缪中微子消失 几率都具有优秀的探测性能。 3，水基契伦可夫量能器对于中微子工厂和超级中微子束流来说，造价是相当便 宜和有效。同时，它也可以用来研究宇宙线和天文学。 4，尽管我们需要更多的R&D和探测器的优化工作，但水基契伦可夫量能器已经 没有主要的技术困难， 它是极长基线中微子振荡实验的一个非常优秀的探测器候选者！

在大亚湾反应堆中微子实验的应用 大亚湾反应堆中微子实验主要目标是利用核反应堆产生的电子反中微子来测定 一个具有重大物理意义的参数—中微子混合角 Θ13。 经合作组内部讨论已初步同意：采用水基切伦科夫量能器作为中微子探测器的宇宙线反符合系统。

Use water tank as the muon veto system 探测器的剖面图：

俯视图： Tyvek Four 8-inch PMTs Al Mirror Reflector 16m

把水基切伦科夫量能器应用于大亚湾反应堆中微子实验的宇宙线反符合系统，与RPC和塑料闪烁体等相比，它有如下明显的优点： 1，探测效率高，最近的模拟结果表明宇宙线的探测效率在99％以上； 2，对大亚湾岩石较高的天然放射性不敏感； 3，机械结构简单，整个探测器浸泡在水池中，不需要自支撑； 4，由于使用了水作为探测器的主要介质，造价相当便宜，可大大地降低大亚湾实验宇宙线反符合系统的造价。

MC simulation

Publications: M.-J. Chen, Y.-F. Wang, J.-T. He, M.-L. Yu, A study of the water Cherenkov calorimeter, Nucl. Instru. & Meth. A 562(2006):214 Chen Ming-Jun, Wang Yi-Fang, He Jing-Tang, et al., A water tank prototype for the Cherenkov calorimeter, 高能物理与核物理，2005，29(10):983 陈明君,张峰,王贻芳，水基契伦克夫量能器的蒙特卡罗模拟，高能物理与核物理， 2003，27(11):1015

谢谢！