利用大亞灣中微子探測器進行惰性中微子實驗的可行性研究.pdf

1、中微子物理作為粒子物理、天體物理和宇宙學的交叉前沿學科，是當今理論及實驗研究的熱點。在粒子物理標準模型中，中微子是自旋為1/2的Dirac粒子，不帶電，只參與弱相互作用，最初被認為是沒有質(zhì)量的。但是，近幾十年來一系列實驗已證實，中微子有很小的質(zhì)量，并且其質(zhì)量本征態(tài)與弱相互作用的味道本征態(tài)不簡并，因此在傳播過程中可以在不同的味道之間轉(zhuǎn)化，發(fā)生中微子振蕩。在標準三代中微子振蕩模型中，中微子的每個味道本征態(tài)（Ve，Vμ，VΥ）都可以寫成三個質(zhì)

2、量本征態(tài)（v1,V2,V3）的線性疊加。參數(shù)化后，三代中微子的振蕩模型就可以通過三個混合角θ12、θ13、θ23,兩個獨立的質(zhì)量平方差△m221、△m232和一個CP相角δCP來描述。在精確測量中微子振蕩參數(shù)的過程中，LSND實驗由于設(shè)計時兩個質(zhì)量平方差還未知，并且當時有暗物質(zhì)模型假設(shè)存在質(zhì)量大于1 eV的中微子，因此LSND將物理目標定為測量較大的質(zhì)量平方差，并最終觀測到了振蕩現(xiàn)象。然而，現(xiàn)在我們已經(jīng)知道兩個質(zhì)量平方差分別為△m221

3、～10-5eV2、|△m231|～10-3 eV2,所以LSND觀測到的振蕩現(xiàn)象超出了標準三代中微子模型，這一異常首次引起了人們對質(zhì)量約為1 eV的中微子的注意。之后出現(xiàn)的一系列實驗異常，包括為了驗證LSND結(jié)果設(shè)計的MiniBooNE加速器實驗異常，還有不同類型的反應堆中微子異常、Gallium異常，甚至宇宙學數(shù)據(jù)分析顯示的異常跡象，都不能通過標準三代中微子振蕩模型解釋。由于加速器上的Z0衰變實驗已經(jīng)證明只存在三種參與弱作用的輕中微子

4、，所以只能假設(shè)存在一種甚至多種不直接參與弱作用、但是可以通過中微子振蕩與三代“活躍”中微子混合的“惰性中微子”。惰性中微子的引入無論從理論還是從實驗的角度看，都是非常自然的處理方法，但是考慮到也有一些實驗并沒有觀測到可能存在惰性中微子振蕩的跡象，因此目前我們還不能確定惰性中微子是否存在。
　　綜合一系列實驗的全局擬合結(jié)果顯示，如果存在惰性中微子，那么惰性中微子與活躍中微子之間的質(zhì)量平方差可能在1 eV2量級。顯然，僅有一兩個統(tǒng)計量

5、不是很高的實驗表明存在惰性中微子，是不足以讓人信服的。我們需要有一系列不依賴于模型、使用不同原理或探測手段的實驗來提供確鑿的證據(jù)。這就使得利用大亞灣的實驗裝置進行惰性中微子的研究成為一種可能。
　　大亞灣實驗的主要物理目標是測量三個混合角中最后一個未知的混合角θ13至sin22θ13＜0.01的精度。大亞灣實驗于2012年3月首次以5.2σ公布了θ13不為零的結(jié)果，給出sin22θ13=0.092±0.016(stat.)+0.0

6、05(syst.)，被美國權(quán)威學術(shù)雜志《科學》評選為當年的十大科學突破，并在2015年獲得“基礎(chǔ)物理學突破獎”。大亞灣實驗完成之后，如果各種實驗裝置到時候就那么廢棄，未免太過可惜。因此我們提議:結(jié)合當前惰性中微子研究的熱點，在大亞灣停止取數(shù)后，利用大亞灣實驗的探測器和反應堆，升級建造一個短基線(＜100m)中微子振蕩實驗，以探測△m241～1 eV2的惰性中微子為主要物理目標，同時可以開展關(guān)于反應堆中微子能譜的精確測量、以及探測器技術(shù)應

7、用相關(guān)的研究。本論文就是圍繞這個提議展開，探討了利用大亞灣中微子探測器進行惰性中微子實驗的可行性。
　　為了得到實驗的靈敏度，我們采取了一些假設(shè)，構(gòu)造了x2函數(shù)，討論了尺寸效應和探測器位置布局對靈敏度的影響。研究發(fā)現(xiàn):利用大亞灣中微子探測器進行惰性中微子研究的提議在10-2 eV2(≤)△m241(≤)1 eV2的參數(shù)空間靈敏度較高，而在△m241(≥)1 eV2的參數(shù)空間，由于大亞灣反應堆為商業(yè)用反應堆，堆芯尺寸太大，因此提升測

8、量靈敏度的可能性有限。如果我們側(cè)重于探索△m241～1eV2區(qū)域，那么推薦非對稱的探測器布局，其中近點探測器與相近反應堆之間的距離最好小于30 m，探測器之間的距離最好在m的量級;如果我們側(cè)重于探索△m21～several×0.1 eV2區(qū)域，則推薦對稱的探測器布局，以減少反應堆之間的干涉、避免可能的人為因素導致的對某些△m241值探索能力的喪失。為了估算探測器移到地表時的宇宙線繆子通量及相應的本底水平，我們開發(fā)了一套Geant4模擬程

9、序，并模仿大亞灣實驗與其它一些實驗的設(shè)計，構(gòu)造了一個中心探測器外有水池、鉛和混凝土屏蔽材料的探測器模型。通過研究發(fā)現(xiàn)，在這種探測器設(shè)計方案下，繆子反符合探測器和中心探測器液閃區(qū)域中的宇宙線繆子事例率分別高達約15 kHz和2kHz。通過取20μs的繆子反符合時間窗口，并對模擬數(shù)據(jù)添加要求從快信號前20μs到慢信號后20μs的時間范圍內(nèi)沒有大于0.7 MeV信號的多重度挑選條件，我們估計出了繆子引起的關(guān)聯(lián)本底事例率約為0.2 Hz的保守結(jié)

10、果。這里的0.2 Hz關(guān)聯(lián)本底，與大亞灣實驗中繆子引起的關(guān)聯(lián)本底主要來自9Li/8He和快中子不同，主要是來自于未被反符合掉的子事例。參考大亞灣實驗的經(jīng)驗，我們知道想要模擬得到足夠統(tǒng)計量的9Li/8He和快中子本底不可行，因此只好利用其產(chǎn)額對繆子能量的power law依賴關(guān)系，估算了這兩類本底大小的量級，分別為(Ο)(10-3) Hz和(Ο)(10-2) Hz。使用模擬給出的11 Hz繆子致快信號事例率，加上大亞灣設(shè)計報告給出的50

11、Hz放射性本底事例率，近似作為總的快信號事例率，同時使用模擬給出的3 Hz繆子致慢信號事例率近似作為總的慢信號事例率，我們計算給出非常保守的0.04 Hz偶然符合本底事例率。關(guān)于對宇宙線中子本底的額外討論，我們發(fā)現(xiàn)選取的“水池-鉛-混凝土”的屏蔽層結(jié)構(gòu)具有非常強的中子屏蔽能力，導致宇宙線中子引起的本底事例率不會超過0.001 Hz。總之，以探測器位于大亞灣兩個反應堆中點時IBD事例率約為0.6Hz為例，這樣的本底水平完全有可能使實驗的信

12、噪比好于1。
　　綜合靈敏度和本底水平的研究結(jié)果，本文最后我們基于大亞灣核電站反應堆附近的實際情況，選取了兩個可能擺放探測器的位置，然后通過研究靈敏度隨一些參數(shù)的變化趨勢，提出了利用大亞灣中微子探測器進行惰性中微子實驗的需求。發(fā)現(xiàn)以大亞灣反應堆和探測器的現(xiàn)有條件，只要能使bin-to-bin誤差σdb(≤)(Ο)(1)％，本底事例率R(≤)(Ο)bkg(≤)(10)Hz，就可能在10-2 eV2(≤)△m241(≤)3eV2參數(shù)空