大亚湾反应堆中微子实验

曹俊曹俊中国科学院中国科学院高能物理所高能物理所

大亚湾反应堆中微子实验大亚湾反应堆中微子实验

中国物理学会 2006 秋季会议

J. Cao (IHEP) Daya Bay Reactor Neutrino Experiment 2

中微子振荡中微子振荡1968 1968 Davis Davis 发现太阳中微子丢失发现太阳中微子丢失 ((1212))

19981998 年年 Super-KSuper-K 发现大气中微子振荡发现大气中微子振荡 ((2323))

20012001 年年 SNOSNO 证实丢失的太阳中微子变成了其它中微子证实丢失的太阳中微子变成了其它中微子20022002 年年 KamLAND KamLAND 用反应堆证实太阳中微子振荡用反应堆证实太阳中微子振荡20032003 年年 K2KK2K （（ 250250 公里）用加速器证实大气中微子振荡公里）用加速器证实大气中微子振荡

确立了中微子振荡确立了中微子振荡排除了模型依赖、衰变、干涉等解释排除了模型依赖、衰变、干涉等解释测得了测得了 ||mm22

3232|,sin|,sin22222323,,mm222121,sin,sin22221212

Baseline: Baseline: 三代中微子三代中微子 ,, 大角度混合大角度混合MiniBooNEMiniBooNE 近期将发表结果近期将发表结果 2.52.51010-3-3 eV eV22

8 8 1010-5-5 eV eV22


中微子振荡中微子振荡 (2)(2)20062006 年年 MINOSMINOS （（ 720720 公里，公里， 20052005 年）给出了初步振荡结果。年）给出了初步振荡结果。最近：最近： OPERAOPERA （（ 730730 公里）开始取数公里）开始取数T2K(295T2K(295 公里，公里， 20092009 ））Daya Bay (2010), Double ChoozDaya Bay (2010), Double Chooz （（ 2009?2009? ））Nova(720Nova(720 公里，公里， 20112011 ）尚未立项）尚未立项? VLBN? VLBN （（ 20002000 公里）尚无明确前景公里）尚无明确前景? T2KK? T2KK （（ 10001000 公里）尚无明确前景公里）尚无明确前景

测量未知的量 sin2213, CP, m2

32 的符号进一步验证中微子混合模型（ e.g. 出现）参数的精确测量（目前精度为 10~30% ）

其中最重要的是其中最重要的是 CPCP 破坏的大小破坏的大小


中微子混合中微子混合PMNS MatrixPMNS Matrix

13 13

1

23 23

23 23

12 12

12 12

3 13

cos 0 sin

0 1 0

s

cos sin 0

sin c

1

i

0 0

0 cos sin

0 sin co

os 0

0 0 1s n 0 cos

i

i

e

e

Atmospheric SolarReactor and LBL

1 2 33

1 2 3

1 2 3

0.8 0.5

0.4 0.6 0.7

0.4 0.6 0.7

e e eeU U U

U U U U

U

U

U U

CPCP 破坏的强度与破坏的强度与 1313 相关相关


测量测量 1313 的物理意义的物理意义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 sin2213>0.01 ，下一代长基线实验可以测定 CP 相角。如果 sin2213<0.01 ，下一代长基线实验不能测得 CP 相角。

4 ）与长基线实验共同确定混合参数，消除简并。5 ）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？

大亚湾实验的主要物理目标：测量大亚湾实验的主要物理目标：测量 sinsin22221313 至好于至好于 0.010.01 的精的精度度

零，或非零，都具有重要意义零，或非零，都具有重要意义


2 22 2 2312 4

13 1321

12sin 2 c1 sin sin 2 so in4 4

see

m L m LP

E E

物理结果干净，造价低，速度快

CP violation

mass hierarchy

matter

反应堆 ( disappearance)

加速器 (e appearance)

测量 CP ，必须先确定 sin2213

反应堆与加速器实验反应堆与加速器实验e


反应堆与加速器实验（反应堆与加速器实验（ 22 ））

Ref: hep-ex/0409028

竞争竞争合作合作


利用反应堆测量利用反应堆测量 1313

Angra, Brazil

Diablo Canyon, USA

Braidwood, USA

D-Chooz, France

Krasnoyarsk, Russia

KASKA, Japan

Daya Bay, China

国际竞争激烈，共提出八个国际竞争激烈，共提出八个方案方案

大亚湾具有最有利的条件大亚湾具有最有利的条件：：• 功率大功率大• 紧邻高山紧邻高山• 核电厂支持核电厂支持

国际竞争激烈，共提出八个国际竞争激烈，共提出八个方案方案

大亚湾具有最有利的条件大亚湾具有最有利的条件：：• 功率大功率大• 紧邻高山紧邻高山• 核电厂支持核电厂支持

RENO, Korea


用液闪探测中微子用液闪探测中微子nepe

Neutrino energy: 1.8 -10 MeVVisible Energy (e+): 1.022-9 MeV

时间符合、能量符合能极大地去除本底s(0.1% Gd)

n + Gd Gd* s(8 MeV)

低能量，低事例率低能量，低事例率

天然放射性天然放射性

探测器屏蔽探测器屏蔽

宇宙线产生的本底，宇宙线产生的本底，如快中子，同位如快中子，同位素等素等

地下地下


1313 振荡振荡

大亚湾事例率：大亚湾事例率：近点（近点（ 4040 吨）每天吨）每天 20002000 个个远点（远点（ 8080 吨）每天吨）每天 400400 个个

事例率减少事例率减少能谱变形能谱变形振荡极大在振荡极大在 22 公里处公里处

22 312

131 sin4

sin 2ee

m LP

E


实验要点实验要点以前的中微子实验误差为以前的中微子实验误差为 3~6%3~6% Chooz 测量结果： sin2213<0.17

要达到要达到 0.010.01 的精度，误差必须小于的精度，误差必须小于 0.5%0.5%

采用两个（或多个）全同的探测器做远近相对测量采用两个（或多个）全同的探测器做远近相对测量消除反应堆带来的 ~3% 误差

足够的岩石覆盖，减少宇宙线带来的本底（大亚湾最好）足够的岩石覆盖，减少宇宙线带来的本底（大亚湾最好）足够的探测器屏蔽足够的探测器屏蔽去除天然放射性本底以及宇宙线带来的本底减少事例判选条件，特别是不能依赖重建顶点

远近探测器交换，消除探测器效率误差（只有大亚湾能实现）远近探测器交换，消除探测器效率误差（只有大亚湾能实现）高功率反应堆高功率反应堆、更大的探测器，减小统计误差、更大的探测器，减小统计误差（大亚湾第二）（大亚湾第二）


大亚湾误差大亚湾误差参数参数相对误差相对误差改进方法改进方法

反应截面反应截面 1.9%1.9% 远近相对测量抵消远近相对测量抵消

总质子数总质子数 0.8%0.8% 探测器交换抵消探测器交换抵消

探测效率探测效率 1.5%1.5% 探测器交换抵消探测器交换抵消反应堆功率反应堆功率 0.7%0.7% 远近相对测量抵消远近相对测量抵消每裂变能量每裂变能量 0.6%0.6% 远近相对测量抵消远近相对测量抵消

CHOOZCHOOZ 合计合计 2.75%2.75% << 0.2% 0.2%

剩下的误差（大亚湾）：剩下的误差（大亚湾）：统计误差统计误差 ~ 0.2%~ 0.2%

本底误差本底误差 << 0.0.3%3%

残余反应堆误差残余反应堆误差 < < 0.1%0.1%

残余系统误差残余系统误差 < < 0.2%0.2%

探测器误差探测器误差


地理位置地理位置

距香港 55 公里

距深圳 45 公里


大亚湾与岭澳核电站大亚湾与岭澳核电站

Daya Bay NPP 2.9GW2 LingAo NPP LingAo NPP 2.9GW2.9GW22

LingAo II NPP 2.9GWLingAo II NPP 2.9GW22Under construction (2010)Under construction (2010)


实验整体方案实验整体方案

Portal

LA: 40 tonBaseline: 500mOverburden: 98m

Far: 80 ton1600m to LA, 1900m to DYBOverburden: 350m

DYB: 40 tonBaseline: 360mOverburden: 97m

Access portal Waste transport portal

9.6% slope

0% slope

0% slope

0% slopeMid: Baseline: ~1000mOverburden: 208m

两个近点： DYB/LA一个中点： MID一个远点

隧道总长度： ~3000 m


实验选点实验选点2

22 2

1 1,3

2 2 22 2 2

2 2 2 2 2 21 1,3

(1 )

min

rAA A A A Aii i D c d i r iANbin

r iA A As

i A i i b i

A ANbinc i dD r

r i AD c r shape d B

TM T c b B

T

T T B

c b


中微子探测器中微子探测器探测器模块化探测器模块化

近点各两个，远点四个近点各两个，远点四个每个每个 2020 吨靶质量，总重吨靶质量，总重 100100吨吨直径直径 55 米，高米，高 55 米米三层结构：三层结构： II. . 靶层：掺钆液体闪烁体靶层：掺钆液体闪烁体IIII. . 集能层：普通液闪集能层：普通液闪 III.III. 屏蔽层：矿物油屏蔽层：矿物油

上下端面加反射层上下端面加反射层降低造价降低造价简化结构简化结构

~200 8”PMT/~200 8”PMT/ 模块模块

I

IIIIIvertex

14%~ , 14cm

(MeV)

E E


实验大厅实验大厅中微子探测器放在中微子探测器放在水池中，被水池中，被 2.52.5 米米的水屏蔽的水屏蔽

水池兼做宇宙线探水池兼做宇宙线探测器测器

水池外围另有一层水池外围另有一层反符合探测器反符合探测器 RPCRPC

水箱探测器水箱探测器


水屏蔽层水屏蔽层

宇宙线在岩石和水中产生宇宙线在岩石和水中产生的快中子可以飘移到中心的快中子可以飘移到中心探测器，形成本底探测器，形成本底两层两层反符合，效率反符合，效率 >99.5%>99.5%

岩石的天然放射性岩石的天然放射性压低压低~10~1077倍倍其它材料如水泥：价格高、其它材料如水泥：价格高、有天然放射性有天然放射性

中子中子

tagtag

tagtag

水水


探测器模拟：正电子效率探测器模拟：正电子效率

e nep 2e e

ChoozChoozDaya BayDaya BayChooz 1.3MeV, error 0.8% （ bad LS)

KamLAND 2.6MeV, error 0.26%

Positron Efficiency 99.6%Positron Efficiency 99.6%

Error ~0.05% Error ~0.05% (Assuming 2%(Assuming 2% energy energy scale error)scale error)


探测器模拟：中子效率探测器模拟：中子效率

Neutron Energy (MeV)

ReconGEANT energy

66MeVMeV

Neutron-capture energy cut efficiencyNeutron-capture energy cut efficiency 91%, 91%,Error ~0.2% Error ~0.2% (Assuming 1% energy scale (Assuming 1% energy scale

error)error)

45 cm gamma catcher45 cm gamma catcher


本底模拟本底模拟


本底模拟（本底模拟（ 22 ））三种主要本底三种主要本底快中子本底同位素 8He/9Li 偶然符合本底

天然放射性（岩石、 PMT 玻璃、钢结构、水、氡气、灰尘、液体闪烁体）

单中子、同位素

远点本底能谱远点本底能谱


SensitivitySensitivity

• Three-year run (0.2% statistical Three-year run (0.2% statistical error)error)

• Two near sites, 40 ton eachTwo near sites, 40 ton each

• 80 80 ton at Far siteton at Far site

• Detector error ~ 0.4%Detector error ~ 0.4%

• Far site background error 0.2%Far site background error 0.2%

• Near site background error 0.3%Near site background error 0.3%

90% confidence level90% confidence level


far

Dayanear

Lingaonear

mid

地质勘探已完成地质勘探已完成

钻探岩芯


小模型实验小模型实验


小模型实验小模型实验

137137CsCs 6060CoCo

线性：线性： Ba,Cs,Na,CoBa,Cs,Na,Co

能量精度：能量精度： Ba,Cs,Na,CoBa,Cs,Na,Co


掺钆液体闪烁体研制掺钆液体闪烁体研制

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0.010

0.011

0.012

0.013

10-15-04 12-14-04 02-12-05 04-13-05 06-12-05 08-11-05 10-10-05 12-09-05 02-07-06 04-08-06 06-07-06

Calendar Date

abs l

at 43

0 nm

1.2% Gd in PC

0.2% Gd in PC

0.2% Gd in 20%PC 80% Dodecane

0.2% Gd in LAB

0.2% Gd in 20%PC 80%LAB566 days

514 days

426 days

189 days

May 08, 2006

189 days长期稳定性试验

研究单位：高能所， BNL ， JINR

近期将在小模型中试验近期将在小模型中试验 0.50.5 吨中试生产吨中试生产

检测验高能所掺钆液闪的性能检测验高能所掺钆液闪的性能

BNLBNL将与香港合作在将与香港合作在 Aberdeen TunnelAberdeen Tunnel 试验中测试试验中测试


国际合作组国际合作组高能物理研究所高能物理研究所中国原子能研究院中国原子能研究院清华大学清华大学北京师范大学北京师范大学深圳大学深圳大学中山大学中山大学南开大学南开大学南京大学南京大学

BrookheavenBrookheavenBerkleyBerkleyCaltechCaltechUCLAUCLAPrincetonPrincetonUniv. of Illinois at Urbana-ChampaneUniv. of Illinois at Urbana-ChampaneIllinoise Inst. Of Tech.Illinoise Inst. Of Tech.Univ. of WisconsinUniv. of WisconsinUniv. of HoustonUniv. of HoustonUniv. of IowaUniv. of IowaRensselaer Polytechnic InstituteRensselaer Polytechnic InstituteVirginia Tech. Virginia Tech.

香港大学香港大学香港中文大学香港中文大学台湾大学台湾大学台湾联合大学台湾联合大学台湾交通大学台湾交通大学俄罗斯俄罗斯 JINRJINR

俄罗斯俄罗斯 Kurchatov Inst.Kurchatov Inst.

捷克捷克 Charles Charles 大学大学共约共约 100100人人


国际合作组国际合作组按国际惯例组成合作组，制定了章程按国际惯例组成合作组，制定了章程组成了合作组委员会组成了合作组委员会选举了选举了 77 人执行委员会：人执行委员会：高能所：王贻芳，杨长根伯克利实验室：陆锦标，加州理工学院： R.Mckeown 台湾大学 :熊怡香港中文大学 :朱明中俄国杜布纳联合研究所 :A. Olchevski

选举了发言人：选举了发言人：高能所王贻芳和伯克利实验室陆锦标

建立了建立了 99 个工作小组个工作小组大致确定了各方的任务分工大致确定了各方的任务分工


达成经费意向达成经费意向经费来源经费来源经费经费用途用途

科学院科学院 55 千万元千万元隧道及地下实验室建设，地面设施隧道及地下实验室建设，地面设施建设，中心探测器钢罐，液体闪烁建设，中心探测器钢罐，液体闪烁体，反符合探测器，读出电子学，体，反符合探测器，读出电子学，触发及数据获取，刻度，数据分析触发及数据获取，刻度，数据分析

科技部科技部 44 千万元千万元基金委基金委 11 千万元千万元

深圳市深圳市 // 广东省广东省 // 中广中广核核

~ 7~ 7 千万元千万元

香港香港 ~ 30~ 30 万美元万美元光二极管刻度，数据分析光二极管刻度，数据分析台湾台湾 ~ 100~ 100 万美元万美元有机玻璃罐，数据分析有机玻璃罐，数据分析俄国俄国实物贡献实物贡献液体闪烁体，反符合探测器液体闪烁体，反符合探测器

美国美国 DOEDOE 探测器探测器 50% 50% (2~3(2~3 千万美千万美

元元 ))

液体闪烁体，反符合探测器，刻度，液体闪烁体，反符合探测器，刻度，光电倍增管，数据分析光电倍增管，数据分析


立项进展立项进展20032003 年底开始启动年底开始启动20062006 年年 44 月月 2929日，中国科学院正式立项，批准经费日，中国科学院正式立项，批准经费 55千万千万20062006 年年 88 月月 1515日，科技部（基金委）进行了可行性评审，日，科技部（基金委）进行了可行性评审，有望近期内正式立项。有望近期内正式立项。

美国能源部立项流程• CD0 ：是项目概念阶段，根据项目的重要性及经费、技术初步估计，决定该

项目是否必要；（ 2005 年 11 月已通过）• CD1 ：在不同的项目建议中选择最佳的建议，完成初步设计，缩小经费与进

度的估计范围；（ 2007 年 2 月，仅有大亚湾实验参加）• CD2 ：通过一个外部的独立评审检查项目的初步设计是否与预期一致；• CD3 ：最终确定设计、经费、进度等，批准使用经费；• CD4 ：完成项目建设，进入运行期。

20062006 年年 44 月，能源部宣布不再支持大亚湾的竞争对手月，能源部宣布不再支持大亚湾的竞争对手 Double ChoozDouble Chooz与与 BraidwoodBraidwood ，并批准给大亚湾实验，并批准给大亚湾实验 20062006 年度预研经费年度预研经费 8080 万美元万美元

20062006 年年 1010 月进行大亚湾实验的物理评审月进行大亚湾实验的物理评审


实验进度计划实验进度计划

20062006 年底完成隧道工程设计年底完成隧道工程设计20072007 年初完成隧道工程招标年初完成隧道工程招标20072007 年年 66月开始隧道建设，月开始隧道建设， 20092009 年年 66月完成月完成20072007 年年 -2009-2009 年完成探测器建造年完成探测器建造20102010 年探测器安装调试完毕，开始运行取数年探测器安装调试完毕，开始运行取数运行运行 33 至至 55 年年

谢谢！谢谢！

感谢政府有关部门的大力支持感谢政府有关部门的大力支持

感谢中广核集团过去三年来的大力支持感谢中广核集团过去三年来的大力支持

感谢国内同行，各位专家的大力支持感谢国内同行，各位专家的大力支持

Documents

大亚湾反应堆中微子实验