大亚湾反应堆中微子实验及其进展

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sin22q130.01，下一代长基线实验可以测定CP相角。如果sin22q130.01，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DoubleChooz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,两个近点：DYB/LA一个中点：MID一个远点隧道总长度：3000m,实验安排,Baseline:500mOverburden:98mMuonrate:0.9Hz/m2,1600mtoLA,1900mtoDYBOverburden:350mMuonrate:0.04Hz/m2,Baseline:360mOverburden:97mMuonrate:1.2Hz/m2,8%slope,0%slope,0%slope,0%slope,Baseline:1000mOverburden:208m,10-40keV,Neutrinoenergy:,NeutrinoEvent:coincidenceintime,spaceandenergy,实验方法:用液闪探测中微子,1.8MeV:Threshold,t180or28ms(0.1%Gd),n+pd+g(2.2MeV)n+GdGd*+g(8MeV),探测器设计：多模块与多重反符合,Redundancyisakeyforthesuccessofthisexperiment,Otheroptionsareunderinvestigation,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,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,ss14cm,I,II,III,Positionresolution14cm,16个有机玻璃罐,设计：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,制造成型方法精度(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PaloVerde:55%antracene,11m,0.03%/dayChooz: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,Gd-loadedscintillatordevelopedatIHEP,Highlightyield,verytransparentHighflashpoint147oC,environmentallyfriendlyLowcost,LAB,StabilityofGd-loadedscintillatordevelopedatBNL,研究单位：高能所，BNL，JINR,批量生产,液闪的配制配方混合程序混合设备原料液闪的处理放射性元素的去除灰尘的去除有害化学元素的去除液闪的灌装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（5106线性:500P.E.噪声:5KHz15oCPE放射性:238U,232Th,40K90%RPCscintillatorstripstotalineff.=10%*5%=0.5%,Neutronbackgroundvswatershieldingthickness,2mwater,水切伦科夫探测器,水池:为国际上多个中微子实验采用需900PMT水箱:为长基线中微子实验提出已完成模型实验需1248PMT,阻性板探测器(RPC),在水箱上部精确标记宇宙线事例共三层,2640m2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:电荷动态范围:0500p.e.电荷分辨率:10%1p.e.噪声:250MWE(near)，1000MWE(far)T.Hagneretal.,Astroparticle.Phys.14(2000)33,系统误差,基线优化及Sin22q13灵敏度,反应堆关联误差:sc2%反应堆非关联误差:sr1-2%中微子能谱误差:sshape2%探测器关联误差:sD1-2%探测器非关联误差:sd0.5%本底误差:宇宙线产生的快中子:sf100%,随机符合:sn100%,宇宙线产生的8Li,9He,:ss50%Bin-to-bin误差:sb2b0.5%,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,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,137Csspectrum,Responseatdifferentlocations,linearity,Resolution:8.5%/E,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光电倍增管测试南开大学刻度系统,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月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,NorthAmerica(9)LBNL,BNL,Caltech,UCLAUniv.ofHouston,Univ.ofIowaUniv.ofWisconsin,IIT,Univ.ofIllinois-Urbana-champagne,Asia(12)IHEP,CIAE,TsinghuaUniv.ZhongshanUniv.,NankaiUniv.BeijingNormalUniv.,ShenzhenUniv.,HongKongUniv.ChineseHongKongUniv.TaiwanUniv.,ChiaoTungUniv.,NationalUnitedUniv.,Europe(3)JINR,Dubna,RussiaKurchatovInstitute,RussiaCharlesuniversity,Czech,DayaBaycollaboration,TheDayaBayCollaboration,X.Guo,N.Wang,R.WangBeijingNormalUniversity,Beijing100875L.Hou,B.Xing,Z.ZhouChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413J.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.ZhongInstituteofHighEnergyPhysics,Beijing100039Z.Li,C.ZhouZhongshanUniversity,Guangzhou510275X.Q.Li,Y.Xu,S.FangNankaiUniversity,Tianjin300071Y.Chen,H.Niu,L.NiuShenzhenUniversity,Shenzhen518060S.Chen,G.Gong,B.Shao,M.Zhong,H.Gong,L.Liang,T.XueTsinghuaUniversity,Beijing100084M.C.Chu,W.K.NgaiChineseUniversityofHongKong,HongKongK.S.Cheng,J.K.C.Leung,C.S.J.Pun,T.Kwok,R.H.M.Tsang,H.H.C.WongUniversityofHongKong,HongKongB.Y.HsiungNationalTaiwanUniversity,TaipeiG.L.Lin,F.S.Lee,Y.S.YehNationalChaotungUniversity,HsinchuC.H.WangNationalUnitedUniversity,Hsinchu,Yu.Gornushkin,R.Leitner,I.Nemchenok,A.OlchevskiJointInstituteofNuclearResearch,Dubna,RussiaV.N.VyrodovKurchatovInstitute,Moscow,RussiaZ.Dolezal,R.Leitner,V.Pec,V.VorobelCharlesUniversity,theCzechrepublicM.Bishai,M.Diwan,D.Jaffe,J.Frank,R.L.Hahn,S.Kettell,L.Littenberg,K.Li,B.Viren,M.YehBrookhavenNationalLaboratory,Upton,NY11973-5000,USAR.D.McKeown,C.Mauger,C.JillingsCaliforniaInstituteofTechnology,Pasadena,CA91125,USAK.Whisnant,B.L.YoungIowaStateUniversity,Ames,Iowa50011,USAW.R.Edwards,K.B.LukUniversityofCaliforniaandLawrenceBerkeleyNationalLaboratory,Berkeley,CA94720,USAV.Ghazikhanian,H.Z.Huang,S.Trentalange,C.WhittenJr.UniversityofCalifornia,LosAngeles,CA90095,USAM.Ispiryan,K.Lau,B.W.Mayes,L.Pinsky,G.Xu,L.LebanowskiUniversityofHouston,Houston,Texas77204,USAJ.C.PengUniversityofIllinois,Urbana-Champaign,Illinois61801,USAW.Luebke,C.WhiteIllinoisInstituteofTechnologyK.HeegerUniversityofWisconsin,Madison,USA,联合办公室,中方项目经理王贻芳,美方项目经理W.Edwards,大亚湾中微子实验合作组,合作组发言人王贻芳，陆锦标,中心探测器张家文,物理与软件曹俊,反符合探测器杨长根,安装与调试庄红林,DAQ与触发李小男,中方,美方,项目顾问团,其他,俄罗斯,台湾,隧道与实验厅张浩云,执行委员会,进度计划,各方可能的经费投入,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！,CurrentKnowledgeof13,Globalfitfoglietal.,hep-ph/0506083,Sin2(213)0.09,Sin2(213)0.18,DirectsearchPRD62,072002,Allowedregion,目前实验认为sin22q130.09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sin22q130.1-10%,发现sin22q13=0比测得sin22q13还要重要,Sin22q13对任何大统一理论均有强烈的限制,实验精度达到1%极为重要,modelpredictionofsin22q13,Experimentallyallowedat3slevel,CurrentlyProposedsites/experiments,大亚湾与加速器实验的比较,Detectordimension,Targetmass:20tDimensionoftarget:3.2m3.2m,gCatcherthickness,Oilbufferthickness,Whythreezones?,Threezones:ComplicatedacrylictankconstructiongbackgroundsonwallsLessfiducialvolumeTwozones:NeutrinoenergyspectrumdistortedNeutronefficiencyerrorduetoenergyscaleandresolution:twozones:0.4%,threezones0.2%Using4MeVcutcanreducetheerrorbyafactoroftwo,butbackgroundsfromb+gdonotallowustodoso,2zone,3zone,cut,cut,CaptureonGd,CaptureonH,Vesselboundary,Reactor-relatedUncertaintiesofDayaBay,Basedonexperienceofpastexperiments,duetouncertaintyinmeasuringtheamountofthermalpowerproduced,theuncorrelatederrorperreactorcorep2%.frFandfrNarefractionsoftheeventsatthefarandnearsitefromreactorrrespectively.,Theerrorduetopowerfluctuationsofthereactorsisgivenby:,EnergyCuts,DominatedbyenergyscaleKamLAND1%,TimeCuts,Neutrontimewindowuncertainty:,t=10