中微子及相关物理 曹俊，季向东，杨长根 2014 年 11 月 21 日 粒子物理前沿卓越创新中心进展报告.

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1 中微子及相关物理 曹俊，季向东，杨长根 2014 年 11 月 21 日 粒子物理前沿卓越创新中心进展报告

2 2  中微子理论  大亚湾中微子实验  江门中微子实验  MOMENT 中微子束流  暗物质理论  暗物质实验  PandaX  CsI(Na) 原型实验  液氩预研  国际合作  EXO （无中微子双贝塔衰变）  LBNF （费米长基线加速器中微子实验）  COMET （ muon 实验） 提 纲  只包括卓越中心成员贡献  不完整、遗漏部分请原谅！ 感谢提供资料： 周顺 廖益 唐靖宇 毕效军 孙希磊 李海波 袁野 温良剑

3 3 T. Ohlsson& 周顺, Nature Commun. 5 (2014) 5153 中微子质量起源轻子味混合参数的重正化群演化 通过重正化群方程将建立在高能 标处的中微子质量模型与低能标 处轻子味混合参数的实验观测联 系起来 : (1) 研究中微子质量起源和检验 中微子质量模型 ; (2) 理解轻子味混合模式和 CP 对 称性破缺机制 中微子质量、标准模型真空不稳定性和大统一 理论 : 高能标处存在新物理 ? 中微子理论进展（ 1 ） 《 Nature Communications 》自创刊以来首次 发表粒子物理理论方面的综述性文章。

4 4 轻子味混合的 μ-τ 对称 性及其破缺 部分 μ-τ 对称性 : 预言 CP 破坏相位 邢志忠 & 周顺, Phys. Lett. B 737 (2014) 196 唯象学后果 : (A) θ 23 = 45 o & θ 13 = 0 o ( 排除 ) 或者 (B) θ 23 = 45 o & δ = 90 o (270 o ) 完全 μ-τ 对称性 唯象学后果 : θ 23 ≠ 45 o 部分 μ-τ 对称性 罗舒 & 邢志忠, 1408.5005; 周也铃,1409.8600 最新中微子振荡实验数据的全局分析结果显示 θ 23 ≠ 45 o 且存在非平庸的 CP 破坏相位角, 而部分 μ-τ 对称 性与实验观测一致, 并可预言混合参数之间的关系。 假设在高能标处理论模型存在完全 μ-τ 对称性, 考虑 量子辐射修正效应后, 低能标处轻子味混合的 μ-τ 对 称性部分或完全破缺 中微子理论进展（ 2 ）

5 5 广义 CP 对称性与分立味对称性 味对 称群 带电 轻子 部分 中微 子部 分 质量 矩阵 预言轻子 混合矩阵 混合角、 CP 相位只 依赖一个实 参数 可很好地拟合混合角、预言 CP 相位 丁桂军 & 周也铃 JHEP 1406 1312.5222 丁桂军及合作者 : JHEP 1312 PRD 89, 2014 NP B881, 2014 1408.0785 1409.8005 中微子理论进展（ 3 ）

6 6 单电荷、电中性新费米子重建, M=300 GeV 单电荷、双电荷新标量粒子重建, M=300 GeV  Cascade Seesaw: 引进新的标量场和费米子, 在树图级实 现量纲为 9 的有效算符, 产生中微子质量。 廖益, JHEP 1109  Cascade Seeaw 进一步研究：可在 TeV 能标产生中微子 质量； LHC 上可以看到如下信号。 丁然，韩志龙，廖益，刘洪 君，刘继元， PRD89, 2014 中微子理论进展（ 4 ）

7 7 大亚湾反应堆中微子实验 3000 m tunnel 5 underground halls Eight 110t neutrino detectors 3 water Cherenkov detectors 3200m 2 RPC detector 8000 channels readout 6AD: 2011.12.24 – 2012.07.28 8AD: 2012.10.19 -

8 8 大亚湾国际合作组 North America (16) Brookhaven Natl Lab, CalTech, Illinois Institute of Technology, Iowa State, Lawrence Berkeley Natl Lab, Princeton, Rensselaer Polytechnic, Siena College, UC Berkeley, UCLA, Univ. of Cincinnati, Univ. of Houston, UIUC, Univ. of Wisconsin, Virginia Tech, William & Mary, Yale Europe (2) Charles University, JINR Dubna 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. 217 Collaborators from 41 institutions China Mainland118119 US6764 Hong Kong, China1412 Taiwan, China1110 Russia76 Czech44 Chile2 South America (1) Catholic Univ. of Chile

9 9 Data Taking Data Taking (2011.12.24-2014.10.29) EH1 EH2 EH3

10 10 Publication  A  side-by-side comparison: NIM A 685, 78 (2012) citation 53  B  Discovery (5.2  ): PRL108, 171803 (2012) citation 1041  C  Updated Results (7.7  ): CPC 37, 011001 (2013) citation 200  D  Entire 6-detector data (217 days)  rate+shape sin 2 2θ 13  m 2 ee, PRL112, 061801 (2014), citation 63  Sterile: PRL113,141802 (2014) [highlight by PRL]  nH θ 13 analysis: PRD90, 071101 (2014)  reactor ν spectrum: reported at Neutrino 2014 and ICHEP 2014  E  6+8-detector analysis (621 days):  θ 13 analysis: reported at Neutrino 2014 A B C D E

11 1  13 and  m 2 ee analysis  Reduced systematics, reduced background, improved E nonlinearity. Relative energy scale difference: 0.2% Non-linearity uncertainty 1% From 0.5% From 2% EH1, EH2 side-by-side calibration: check systematics

12 12   sin 2 2  13 )/sin 2 2  13 ~ 6%, the best among all mixing angles   m 2 ee )/  m 2 ee ~ 5%, similar to that of MINOS  nH results ~4.5 , independent check, improve  13 precision by 10% 6 AD nH rate  13 and  m 2 ee analysis 6+8 AD, 621 days nGd analysis.

13 13 Future Prospects  Precision still dominated by statistics (Daya Bay)  Continue to improve systematics  Daya Bay data taking until 2017  Precision expected:   sin 2 2  13 ) ~ 0.003  3.5%   m 2 ee ) ~ 0.07  ~3% Jetter, Tau2014

14 14 5 MeV Bump on Reactor Spectrum  Significance ~ 4   Events are reactor power related & time independent  Events are IBD-like:  Disfavors unexpected backgrounds  No effect to  13 at DYB, RENO; Under control at DC  Possibly due to forbidden decays (PRL112, 2021501, 2014, arXiv:1407.1281) RENO, Neutrino 2014 Daya Bay, ICHEP2014 DC, Neutrino 2014

15 15 Absolute Reactor Flux and Spectrum  Absolute Flux  Data/ (Huber+Mueller) ： 0.947±0.022  Data/ (ILL+Vogel) ： 0.992 ± 0.023  Consistent with previous exp.  Absolute neutrino spectrum  After non-linearity correction 15 Daya Bay Neutrino 2014 Spectrum normalized to the prediction for shape only comparison e+e+ Daya Bay ICHEP2014

16 16 Search for Sterile Neutrinos  Precise reactor neutrino spectrum from Daya Bay near site can test the sterile neutrino hypothesis  But ~400 m baseline is not ideal for the reactor anomaly  In addition to accelerator and radioactive source experiment for sterile neutrinos, we also need experiments very close to the reactor (exp.) for sterile neutrinos: Daya Bay: PRL113, 141802, 2014 Measurement by shape distortion

17 17 江门中微子实验 NPPDaya BayHuizhouLufengYangjiang Taishan StatusOperationalPlanned Under construction Power17.4 GW 18.4 GW Yangjiang NPP Taishan NPP Daya Bay NPP Huizhou NPP Lufeng NPP 53 km Hong Kong Macau Guang Zhou Shen Zhen Zhu Hai 2.5 h drive Kaiping, Jiang Men city, Guangdong Province Kaiping, Jiang Men city, Guangdong Province 17 Previous site candidate Overburden ~ 700 m by 2020: 26.6 GW Daya Bay ~60 km JUNO 20 kton

18 18 江门中微子实验合作组 Europe (22)* APC Paris Charles U. CPPM Marseille FZ Julich INFN-Frascati INFN-Ferrara INFN-Milano INFN-Padova INFN-Perugia INFN-Roma 3 U. libre de Bruxelles (Observer) HEPHY (Observer) IPHC Strasbourg JINR LLR Paris RWTH Aachen U. Subatech Nantes TUM U.Hamburg U.Mainz U.Oulu U.Tuebingen US* Observers Asia (25) BNU CAGS, CIAE DGUT ECUST Guangxi U. IHEP Jilin U. Nanjing U. Nankai U. Natl. Chiao-Tung U. Natl. Taiwan U. Natl. United U. NCEPU Pekin U. Shandong U. Shanghai JT U. Sichuan U. SYSU Tsinghua U. UCAS USTC Wuhan U. Wuyi U. Xi'an JT U. *Subject to funding agency approval ~320 Collaborators

19 19 JUNO 项目进展 First get-together meeting 2013 2014 Funding from CAS: “Strategic Leading Science & Technology Programme” approved (~CD1) Funding(2013- 2014) review approved by CAS Kaiping Neutrino Research Center established Geological survey and preliminary civil design done Civil/infrastructure construction bidding Now Yangjiang NPP started to build the last two cores Expected in 2014 Start civil construction (takes 3 years) Complete a physics book and CDR 1 st 20” MCP-PMT Collaboration formed

20 20 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 个主个方案。 预期 2015 年确定方案。 基本方案：有机玻璃罐 + 网架备选方案：液袋 ( 气球 )+ 钢罐

21 21 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

22 2 探测器主要设计研发进展 (3)  2014 年 4 月，北方夜视研制出第一支 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，测试性能和稳定性

23 23 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，水萃取和氮萃取）  初步工程设计，明年初在大亚湾地下实验室原型测试。

24 24 物理黄皮书与实验初步设计书  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  反应堆中微子测量质量顺序  反应堆中微子精确测量混合角  超新星中微子  超新星背景中微子  太阳中微子  大气中微子  地球中微子  惰性中微子  质子衰变  间接暗物质寻找  稀有事例寻找 CDR  中心探测器  反符合探测器  液体闪烁体  光电倍增管  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  安装

25 25 实验室设计方案

26 26 隧道入口 安装安装 液闪 办公 宿舍 安装  土建各项准备工作基本完成。  2015 年 1 月 10 日在现场举行开工典礼。

27 27  新型加速器中微子束流 MOMENT (Muon-decay Medium Baseline Neutrino Beam Facility) ： 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。 加速器中微子束流研究 Phys. Rev. STAB 17, 090101 (2014)

28 28  LBNF(Long Baseline Neutrino Facility) 是美国高能物理 界支持的唯一大型项目，但他们也在积极推进国际合作， 讨论形成新的国际合作框架并成为国际主要装置。  在中美高能物理合作基金的支持下，展开了同 LBNF 的合 作。一方面，参与合作是对国际性项目的贡献；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（中 铝郑州研究院）、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。  完成了中国可提供的 LBNF 上轻金属材料特性和加工前景 的调研，正在与 LBNF 同事研究我们的建议。  派人去 FNAL 短期工作，参加 LBNF 设计。 参与 LBNF 合作

29 29 Yuan, Bi, Chen, Guo, Lin, Zhang, APP60,1 ， 1304.1482 Yuan, Bi, PLB727,1, 1304.2687  AMS-02 精确测量了宇宙线正负电子的能谱和比例，证实了正电子超出。 系统地、定量地研究 AMS-02 的结果，得到了 AMS-02 精确数据包含的 一些有趣的结论。  1 ）发现 Fermi 的电子谱和 AMS02 结果存在不一致，这被 AMS02 后 来的观测结果所支持 暗物质理论研究 AMS02- 正 负电子比例 Fermi 总 谱 ( 电子 + 正电子） AMS02 总谱

30 30 正电子 比例和 正负电 子谱 Lin, Yuan, Bi, 1409.6248 Yin, Yu, Yuan, Bi, PRD2003, 1304. 4128 AMS02 数据暗示可能已经探测到来自于邻近的宇宙线源辐射的 高能电子 — 这对理解宇宙线加速和传播过程有重要帮助； AMS- 02 数据不支持传播过程的重加速，约束宇宙线传播模型。  3 ，模拟发现将来的卫星或空间站实验可 以通过精确测量电子谱区分天体或暗物质 起源。  4 ， AMS02 数据对宇宙线的源和宇宙线的 传播过程给出非常重要的限制。  2 ，发现用暗物质和天体源都可以解释 AMS02 数据；下表是脉冲星和暗物质 湮灭拟合 AMS02 数据的  2

31 31 中国锦屏地下实验室 CJPL-II 目前地下实验空间需求包括了 CDEX-1T 、 PandaX 吨级， 高能所液氩实验，原子能院核天体物理实验等四个实验 已完成

32 32 PandaX  Goal: develop a ton-scale Xenon dark matter detector in stages; and use Xe136 to search for neutrinoless double beta decay.  Collaboration  上海交通大学  中科院上海应用物理研究所  山东大学  北京大学  University of Michigan  University of Maryland  雅砻江流域水电开发有限公司 Phase I 125 kgPhase II 500 kg Phase III n ton?

33 3 Milestones  First data: May 26 to July 5, 17.4 live- day of dark matter data  Fiducial mass 37 kg Mar. 2013 ： Commissioning Mar. 2014: Physics data taking Aug. 16, 2012, apparatus arriving CJPL 0.5-5.5 keV ee

34 34 Search for Dark Matter Events Dominating background: PMTs and inner vessel Vertical asymmetric fiducial cut to balance the background from the top/bottom PMT array Radial direction cut to shield background from the vessel Very powerful self-shielding No events found in the DM search region!

35 35 PandaX-I First Results 35 Our results disfavor previously reported signals At low mass region, our results significantly better than XENON100 first results with similar exposure Limits similar using NEST or XENON100 L eff at high mass; the latter gives a more conservative limit at low mass Sci China-Phys Mech Astron, 2014, 57(11): 2024-2030

36 36 ① 从无到有：高能所同步建立液氩探测器实验室 ② 2012 年底实现了模型探测器氩的液化； ③ 实现了精确的制冷控制，稳定性达到 +/-0.05K ； ④ 实现了 TPB 的镀膜； ⑤ 2013 年 10 月测得了单相液氩的发光； ⑥ 正在进行双相液氩测量的实验 36 高能所液氩探测器

37 37  液氩价格便宜，有极强的 n/gamma 分辨本领，  作为新一种暗物质探测的靶核，国际上没有很强的竞争对手， 发展前景更为有利 37 液氩暗物质探测实验方案 双相：位置分辨好， S2/S1 可减低本底， 大规模探测器比单 相探测器难？ 创新性： 批量的贫氩生产；确定有足够的气源，但需研究： ① 核定 39Ar 含量够低（ ~1/100 空气中含量） ②从液化天然气中获取可行 极低本底 SiGHT(Silicon Geiger Hybrid Tube) 的研 制： 放射性杂质 <1mBq ，中子率 <0.05n/year 单相：简单，光产 额高，位置分辨也 好，缺 S2/S1 ，但氩 本身的粒子鉴别能 力远可补偿 LNG 厂 Si-PM 光电子探测谱

38 38 CsI(Na) 暗物质探测实验 Dual Light-emitting Crystal Background rejection by range Nuclear recoil: small range Electron recoil: large rang The range is different for different particles The ratio is different for different particles The transparence is the key features for Dual Light- emitting Crystal

39 39 CsI(Na) 实验进展 Prototype experiment funded by IHEP One module 40 kg Daya Bay laboratory Hall 5 ~100m overburden Water tank 5mx5mx6m 探测器、电子学、 DAQ 各系统正在组 装测试，预计 12 月 份联调完毕，到大 亚湾安装。

40 40 EXO-200/nEXO  寻找  过程， ” 一石二鸟 ”  中微子是 Majorana 粒子？  轻子数守恒？  EXO-200/nEXO 寻找 136 Xe  过程  液氙 TPC (80.6% 136 Xe)  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 = Q ββ ± 0.5·FWHM Nature 510 ， 229 (2014) EXO-200 nEXO ~150 kg 40 cm 140 cm ~5000 kg

41 41 IHEP in EXO-200/nEXO  EXO-200 数据分析  Energy Group, Fitting Group 召集人 PRC 89, 015502 (2014), Nature 13432 (2014)  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  nEXO 探测器模拟优化 Charge readout prototype ICP-MS meas. Pre-amp chip & test IHEP LXe system@ Stanford

42 42 Phase-I Phase-II  COMET(Coherent Muon to Electron Transition) 实验目的是 寻找带电轻子味道破坏 (cLFV) ，是一项国际前沿的重要实验， Phase-II 预期单事例灵敏度达到世界领先的 10 -17 。 COMET 实验

43 43  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  经费支持  自然科学基金重点项目 360 万  自然科学基金面上项目 98 万  高能所创新项目 200 万  承担任务  物理与本底分析。袁野担任 Physics Sensitivity and Background Sub-project Coordinator  中心漂移室 (CDC) 前端电子学制造（已在高能所搭建测试平台， 批量生产即将开始）  CDC 软件开发（模拟、重建、刻度、校准 ）  CDC 模型性能分析与束流测试（通过模拟与测试决定气体，高 压，丝半径等结构参数） 参与 COMET 情况

44 4  物理灵敏度与本底分析  CDC 软件开发：模拟、重建、刻度、 校准。寻迹效率 >90%, 动量分辨 265KeV@105MeV ，符合实验物理目 标需求 通过从质子打靶到束流废弃 站的完整模拟，对信号，本 底与噪声水平完成全面深入 的分析。以此分析为基础改 进了磁场布局，束流屏蔽与 准直系统，运行计划等。

45 45 Thanks! 总 结