[理学]中微子振荡—大亚湾实验及其未来发展.ppt

中微子振荡 大亚湾实验及其未来发展 王贻芳中国科学院高能物理研究所 物质世界最基本的单元之一 中微子 中微子是构成物质世界的最基本单元之一 中微子质量极轻 不带电荷 与物质的相互作用十分微弱 极难探测 需要用体积庞大的探测器宇宙中的中微子与光子一样多 100 cm3大多数粒子物理和核物理反应都有中微子产生 粒子和原子核衰变 核反应堆 太阳的热核反应 超新星爆发 加速器 g 暴 宇宙线 奇怪的中微子 只有左旋中微子 弱作用宇称不守恒的原因 中微子研究的中心议题 质量 由于数目巨大 中微子质量对宇宙的形成与演化有重要影响卫星实验测得 imvi 0 7eV粒子物理标准模型认为中微子质量为零中微子质量不为零 超出标准模型的新物理如何在标准模型中赋予中微子质量 Option1 Dirac中微子Option2 Majorana中微子中微子是Dirac或Majorana 即中微子与反中微子是否同一个粒子是粒子物理的一个根本问题中微子与宇宙学关系密切 构成宇宙中的暗物质中微子振荡与宇宙中物质与反物质不对称有关中微子与大尺度宇宙结构的形成有关 中微子是粒子物理 天体物理与宇宙学研究中的热点与交叉 中微子振荡 1962年 因信仰共产主义而逃到前苏联的BrunoPontecorvo提出如果中微子质量不严格为零 且中微子的质量本征态与弱作用本征态不同 根据量子力学 不同的中微子之间可以相互转换判断中微子质量是否为零的方法 Rome CimiteroAcattolico Dubna Pontecorvo sofice 两种中微子之间的振荡 三种中微子振荡 Amixingmatrix Unknownparametersinneutrinooscillation q13 masshierarchy CPphased Majoranaphase 大气中微子振荡 60年代 印度的宇宙线实验中发现大气中微子反常1985年 美国IMB和日本神岗实验证实大气中微子反常1998年 日本超级神岗实验证实大气中微子振荡 小柴昌俊2001Nobelprice 太阳中微子振荡 60年代 R Davis发现到达地球的太阳中微子数只有理论预期值的1 3 e 37Cl 37Ar e 1500米深的矿井中615吨四氯乙烯在30年中一共探测到约2000个中微子 R Davis2001Nobelprice 太阳中微子振荡 SNO实验 2001年 加拿大的SNO实验发现太阳中微子 ne 在飞向地球的过程中变为另一种中微子 nm或nt 太阳中微子振荡 KamLAND实验 2001年 日本的KamLAND实验发现反应堆中微子 ne 与太阳中微子 ne 有相同的消失性能 证明太阳和反应堆中微子确实是发生了振荡 中微子振荡及其未解决的问题 中微子振荡 中微子振荡与中微子质量相关联 是中微子研究中的核心问题中微子振荡于1998年被证实 获2001年诺贝尔奖已发现的中微子振荡有两种 大气中微子振荡和太阳中微子振荡中微子振荡三个未解决的问题 寻找第三种振荡 用q13表示 大亚湾中微子实验质量顺序问题 大亚湾中微子实验二期 类似于夸克 对称性破缺 未来的加速器实验 CurrentKnowledgeof 13 DirectsearchPRD62 072002 Allowedregion G L Foglietal J Phys Conf Ser 203 012103 M C Gonzalez Garciaetal JHEP1004 056 2010 Nogoodreason symmetry forsin22q13 0Evenifsin22q13 0attreelevel sin22q13willnotvanishatlowenergieswithradiativecorrectionsTheoreticalmodelspredictsin22q13 0 1 10 Anexperimentwithaprecisionforsin22q13lessthan1 isdesired modelpredictionofsin22q13 Experimentallyallowedat3slevel 大亚湾反应堆中微子实验 用大亚湾反应堆测量q13是我国粒子物理发展的一个重大机遇 功率高 世界第二 周围有山 便于建设地下实验室以屏蔽宇宙线本底造价较低 没有根本的技术困难世界各国共有8个实验建议 三个正在进行中难点 精度较过去提高一个量级我们的突破 独特设计 环境优势 达到精度要求 Reactorneutrinoexp Cleansignal nocrosstalkwithdandmattereffectsRelativelycheapcomparetoacceleratorbasedexperimentsCanbeveryquickProvidesthedirectiontothefutureofneutrinophysicsReactorexperiments Pee 1 sin22q13sin2 1 27Dm213L E cos4q13sin22q12sin2 1 27Dm212L E Longbaselineacceleratorexperiments Pme sin2q23sin22q13sin2 1 27Dm223L E cos2q23sin22q12sin2 1 27Dm212L E A r cos2q13sinq13 sin d HowNeutrinosareproducedinreactors Themostlikelyfissionproductshaveatotalof98protonsand136neutrons henceonaveragethereare6nwhichwilldecayto6p producing6neutrinos Neutrinofluxofacommercialreactorwith3GWthermal 6 1020 s 10 40keV Neutrinoenergy NeutrinoEvent coincidenceintime spaceandenergy Neutrinodetection Inverse reactioninliquidscintillator 1 8MeV Threshold t 28ms 0 1 Gd n p d g 2 2MeV n Gd Gd g 8MeV ReactorExperiment comparingobserved expectedneutrinos Precisionofpastexp Reactorpower 1 Spectrum 0 3 Fissionrate 2 Backgrounds 1 3 Targetmass 1 2 Efficiency 2 3 Typicalprecision 3 6 Weneedaprecisionof 0 4 CurrentlyProposedsites experiments Howtoreach1 precision Increasestatistics Powerfulnuclearreactors 1GWth 6x1020 e s LargertargetmassReducesystematicuncertainties Reactor related OptimizebaselineforbestsensitivityandsmallerresidualerrorsNearandfardetectorstominimizereactor relatederrorsDetector related Use Identical pairsofdetectorstodorelativemeasurementComprehensiveprogramincalibration monitoringofdetectorsInterchangenearandfardetectors optional Background relatedGodeeptoreducecosmic inducedbackgroundsEnoughactiveandpassiveshielding Layout Near farcancellationTwonearsitesandonefarsitesconnectedby 3000tunnelEventrate 1200 daynear 350 dayfarbackgrounds B S 0 4 nearB S 0 2 far Detectordesign multipledetectormodulesandmultipleVETO MultipledetectormodulestoreuceerrorsandcrosscheckMultiplemuonveto Two layersofcerenkovdetectorRPCatthetopTotalefficiency 99 5 0 25 Redundancyisakeyforthesuccessofthisexperiment CentralDetectormodules Threezonesmodularstructure I target Gd loadedscintillatorII g catcher normalscintillatorIII Buffershielding oil1928 PMT moduleReflectorattopandbottomtoeaseengineeringdifficultiesandsavecost Photocathodecoverage5 6 12 withreflector sE E 12 E sr 13cm Target 20t 1 6mg catcher 20t 45cmBuffer 40t 45cmTotalweight 100t WaterBuffer VETO Atleast2mwaterbuffertoshieldbackgroundsfromneutronsandg sfromlabwallsCosmic muonVETORequirement Inefficiency95 Muontracker Eff 90 RPCtotalineff 10 5 0 5 Twovetostocrosscheckeachotherandcontroluncertainty Backgroundrelatederror Uncorrelatedbackgrounds U Th K Rn neutronSinglegammarate 0 9MeV100MWE 2mwaterY F Wangetal PRD64 2001 00130128He 9Li 250MWE near 1000MWE far T Hagneretal Astroparticle Phys 14 2000 33 大亚湾实验测量Sin22q13的灵敏度 其他物理目标首次测量DM213测量超新星中微子寻找不活跃的中微子 Sensitivity importanttoconstraintmodels Averyinterestingseesawmodel almostmodelindependent S F Ge H J He F R Yin JCAP05 2010 017 Civilconstruction Tunnellength 3100mthreeexperimentalhallsOneassemblyhallWaterpurificationhall 大亚湾土建进展 3号厅 远厅 隧道开挖完成 开始大厅挖掘2号厅 岭澳近厅 隧道与实验大厅开挖完成 正在进行水池建造与大厅装修4号厅 纯水厅 已完工5号厅 液闪厅 已完工 交付使用1号厅 大亚湾近厅 已完成 即将交付使用 地面安装大厅投入使用 正在进行中心探测器装配 隧道入口 隧道内 控制室投入使用 实验大厅 探测器部件生产 大部分已完成 反射板生产 完成了满载与负压测试 激光形位测量 喷涂 真空检漏后的钢罐运抵现场 支撑平台已完工 进行了满载测试 测量 喷涂 RPC裸室完成制造与测试 探测器装配 完成了试安装 通过了检漏 两个正式探测器的安装正在进行 即将完成 反射板与洁净间 中心探测器装配 吊装3米罐 中心探测器装配 吊装反射板 中心探测器顶部 液闪混制 200吨液袋检漏 200吨存储池 完成安装 液闪厅及混制设备 液闪的寿命与稳定性是最大的技术挑战完成了设备工艺实验液闪寿命经过了长期考验 PMTreadoutandtrigger PMTreadout Fan out Triggerboard Prototypesystemtest FADC 清华大学负责的触发板 已与前端电子学完成了联调最近在大亚湾现场完成了MiniDryRun 成功实现了探测器 前端电子学 触发 数据获取 数据因特网传输 离线分析的全流程 NorthAmerica 14 BNL Caltech GeorgeMasonUniv LBNL IowastateUniv IllinoisInst Tech Princeton RPI UC Berkeley UCLA Univ ofHouston Univ ofWisconsin VirginiaTech Univ ofIllinois Urbana Champaign Asia 15 IHEP BeijingNormalUniv ChengduUniv ofSci andTech CGNPG CIAE DongguanPolytech Univ NanjingUniv NankaiUniv ShenzhenUniv TsinghuaUniv USTC ZhongshanUniv HongKongUniv ChineseHongKongUniv TaiwanUniv ChiaoTungUniv NationalUnitedUniv Europe 3 JINR Dubna RussiaKurchatovInstitute RussiaCharlesUniversity CzechRepublic DayaBaycollaboration 200collaborators WhatwecandoafterDayaBay 下一代中微子实验 大亚湾二期 中微子振荡三个未解决的问题 寻找第三种振荡 用q13表示 大亚湾中微子实验质量顺序问题 大亚湾中微子实验二期CP对称破缺角 未来的加速器实验 为什么反应堆中微子 1 加速器中微子实验 造价昂贵 探测器 加速器 2 双 实验 造价昂贵 技术困难 科学风险大3 中微子绝对质量测量 造价昂贵 技术困难4 反应堆中微子实验 意义重大 风险小 条件优越 造价低 技术可行测量磁矩 可能的未来 科学风险大精确测量混合参数 大亚湾 大亚湾二期 NeutrinoMasshierarchy MassHierarchy FundamentaltotheStandardModelFundamentaltomodelsbeyondSMMostGUTspredictanormalmasshierarchy adiscriminatorofdifferentGUTsand orneutrinomassmodelsFundamentaltomanyissues Matter antimatterasymmetryvialeptogenesisinspecificseesawmodels hierarchyrelatedSupernovaneutrinos collectiveflavortransitionsduetoinvertedmasshierarchyRadiativecorrectionstomnandqijaremoresensitivetotheinvertedhierarchy Butevenmoreimportant DiracorMajorana Neutrinooscillation beyondSMinawayofDiracorMajoranamode bbexp maynevergivepositiveresultsIfmasshierarchyisknown togetherwithnextgenerationbbexp theneutrinoDiracorMajorananaturecanbedetermined nextgen bbexp Measuringmasshierarchy LongbaselineacceleratorneutrinosThroughMattereffectsExpensive project X LBNEinFermilab BNLAtmosphericneutrinosVeryweaksignalHugedetector ExpensiveReactorneutrinosMethod distortionofenergyspectrumEnhancesignature TransformreactorneutrinoL EspectrumtofrequencyregimeusingFourierformalismneedSin2 2q13 0 02NeedtoknowDM223 S T Petcovetal PLB533 2002 94S Choubeyetal PRD68 2003 113006 J Learned PRD78 2008 071302 42 FouriertransformationofL Espectrum FrequencyregimeisinfacttheDM2regime enhancethevisiblefeaturesinDM2regimeTakeDM232asreferenceNH DM231 DM232 DM231peakattherightofDM232IH DM231 DM232 DM231peakattheleftofDM232 L Espectrum Ourefforts Cleardistinctivefeatures FCT NH peakbeforevalleyIH valleybeforepeakFST NH prominentpeakIH prominentvalleyBetterthanpowerspectrumNopre conditionofDm223 43 L Zhanetal PRD78 111103 2008 QuantifyFeaturesofFCTandFST Toquantifythesymmetrybreaking wedefine RV LV amplitudeoftheright leftvalleyinFCTP V amplitudeofthepeak valleyinFSTForasymmetricPeeNH RL 0andPV 0IH RL 0andPV 0 2008 07 17 44 L Zhanetal PRD78 111103 2008 Baseline 46 72kmSin2 2q13 0 005 0 05Othersfromglobalfit TwoclustersofRLandPVvaluesshowthesensitivityofmasshierarchydetermination Inreality L Zhan et al Phys Rev D79 073007 2009 Unfortunately DM221 DM223 3 Requirement Todeterminemasshierarchyat 90 CL Baseline 58km determinedbyq12Reactorpower 24GWthFluxanddetectorsize 250 700 kt yearIdeally sin22q13 0 02 energyresolution1000MWE 60kmfromDayaBayAhugenedetectorwithmass 20ktcurrentlythelargestonis1kt KamLAND LVD Scientificgoal al0 50ktundergroundLSdetector60kmfromreactor NeutrinoMasshierarchyPrecisionmixingpara measurement q12 DM212 DM231 UnitarityofthemixingmatrixSupernovaneutrinos betterthanSuperKGeo neutrinos 10betterthanKamLANDAtmosphericneutrinos SuperKSolarneutrinos HighenergyneutrinosPointsource GRB AGN BH DiffusedneutrinosHighenergycosmic muonsPointsource GRB AGN BH DarkmatterExoticsSterileneutrinosMonopoles Fractionalchargedparticles LVD MACRO KamLAND SuperK Precisionmeasurementofmixingparameter FundamentaltotheStandardModelandbeyondSimilaritiespointtoaGrandunificationofleptonsandquarksConstrainallPMNSmatrixelementsto 1 ProbingUnitarityofUPMNSto 1 level Ifwecanspend 0 1 0 5 B foreachB C superBfactoriestounderstandUCKM 1 2elementsforeachfactory whynotasuper reactorneutrinoexperiment 3elements tounderstandUPMNS Supernovaneutrinos Lessthan20eventsobservedsofar 2001Nobleprize Assumptions Distance 10kpc ourGalaxycenter Energy 3 1053ergLnthesameforalltypesTem energyManytypesofevents ne p n e 3000correlatedeventsne 12C 13B e 10 100correlatedeventsne 12C 11N e 10 100correlatedeventsnx 12C n 12C 600correlatedeventsnx p n p singleeventsne e ne e singleeventsnx e n e singleevents T ne 3 5MeV 11MeVT ne 5MeV 16MeVT nx 8MeV 25MeV SuperKcannotseethesecorrelatedevents WhattodowithSupernovaneutrinos Energyspectra fluxesofalltypesofneutrinostem andaverageenergyofneutrinosUnderstandSupernovaeneutrinoproperties mass