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
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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sin22q13>0.01，下一代长基线实验可以测定CP相
角。
• 如果sin22q13<0.01，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Double Chooz 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
1600m to LA, 1900m to DYB
Overburden: 350m
Muon rate: 0.04Hz/m2
0% slope
Baseline: ~1000m
Overburden: 208m
Baseline: 500m
Overburden: 98m
Muon rate: 0.9Hz/m2
0% slope
0% slope
8% slope
Baseline: 360m
Overburden: 97m
Muon rate: 1.2Hz/m2
实验安排
两个近点：DYB/LA
一个中点：MID
一个远点
隧道总长度：~3000 m
实验方法: 用液闪探测中微子
ne  p  e  n

t  180 or 28 ms(0.1% Gd)
n+p d
+ g (2.2 MeV)
n + Gd  Gd* + g (8 MeV)
Neutrino Event: coincidence in
time, space and energy
Neutrino energy:
En  Te  Tn  (M n  M p )  me

10-40 keV

1.8 MeV: Threshold
探测器设计：多模块与多重反符合
Other options
are under
investigation
Redundancy is a key for the success of this experiment
建设内容
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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)
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•
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
III
分辨率：sE /E = 5%@8MeV, ss ~ 14 cm
s
E
14%
E (MeV)
I
II
Position resolution ~14cm
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(<2mm)
强度/壁厚(<1cm)
残余应力
与液闪的化学反应
粘接工艺
清洁
A 2m cylinder
Joint almost invisible
八个不锈钢罐：5m×5m
• 机械强度，几何尺寸，。。。
液体闪烁体
• 数量：160吨掺钆液闪，180普通液闪，400吨矿物油
• 要求:
–
–
–
–
高的发光效率 (>50% antracene)
长的衰减长度(>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
– Palo Verde : 55% antracene, 11m, 0.03%/day
– Chooz: ~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-loaded scintillator developed at IHEP
Sample
Atten.
Len. (m)
2: 8 mesitylene: dodecane(LS)
Light
yield
15.0
-
-
-
PPO+ bis-MSB(Flour) in LS
11.3
0.459
0.2% Gd-EHA + Flour + LS
8.3
0.528
Flour + LAB
23.7
0.542
0.2%Gd-TMHA+Flour+LAB
19.1
0.478
LAB
0.012
0.011
High light yield, very transparent
High flash point 147oC,
environmentally friendly
Low cost
May 08, 2006
0.2% Gd in 20%PC 80% Dodecane
0.2% Gd in LAB
0.010
0.009
absl at 430 nm
CH2 CnH2n-1
1.2% Gd in PC
0.2% Gd in PC
0.013
研究单位：
高能所，BNL，JINR
LAB
566 days
0.2% Gd in 20%PC 80%LAB
0.008
0.007
0.006
189 days
514 days
0.005
0.004
0.003
426 days
0.002
0.001
0.000
10-15-04
189 days
12-14-04
02-12-05
04-13-05
06-12-05
08-11-05
Calendar Date
10-10-05
12-09-05
02-07-06
04-08-06
06-07-06
Stability of Gd-loaded scintillator developed at BNL
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（<0.1%）
光电倍增管及其支撑结构
•
•
•
•
•
共需 ~ 1792 8” PMT
极低本底无钾玻璃
EMI 或 Hamamatzu
高稳定性信号与高压电缆
指标:
–
–
–
–
放大倍数: > 5×106
线性: > 500 P.E.
噪声: < 5 KHz @ 15oC @ ¼ PE
放射性: 238U, 232Th, 40K < 20-50 ppb
刻度与监测
• 放射源刻度: 能量标度,分辨率, …
– 置入系统
• 自动系统: 快速但有限空间位置
• 手动系统: 所有空间位置但较慢
– 放射源的选择: 能量(0.5-8 MeV), 活度(<1KHz), g/n,…
– 清洁
• 物理事例刻度
– 中子俘获
– 宇宙线
•
•
•
•
LED刻度: PMT gain, liquid transparency, …
环境监测: 温度,高压,电流电压,氡气…
靶质量测量及高精度流量计
材料的放射性测量与认证
水屏蔽与反符合探测器系统
• 用2米以上的水屏蔽宇宙线造成的中子本底和岩石
造成的 g 本底
• 反符合探测器的要求：
– 效率 > 99.5%
– 效率误差 < 0.25%
Neutron background vs
water shielding thickness
• 解决办法：两套探测器：
– 水切伦科夫探测器, Eff.>95%
– Muon 探测器, Eff. > 90%
• RPC
• scintillator strips
– total ineff. = 10%*5% = 0.5%
2m water
水切伦科夫探测器
• 水池:
– 为国际上多个中微子实验采用
– 需~ 900 PMT
• 水箱:
– 为长基线中微子实验提出
– 已完成模型实验
– 需~1248 PMT
阻性板探测器(RPC)
• 在水箱上部精确标
记宇宙线事例
• 共三层, 2640 m2
• 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:
–
–
–
–
–
PMT1
Fast hit info
Readout
Module
(VME )
电荷动态范围: 0 ~ 500 p.e.
电荷分辨率: 10% @1 p.e.
噪声: < 0.1 p.e.
时间动态范围: 0 ~ 500 ns
时间分辨率: < 500ps
PMT16
Clock,
Trigger,
Check,etc
Clock,
Trigger,
Check,etc
resol.: 0.5ns
Single channel macro in FPGA
stop
TDC
time
start
Amp.
threshold
CLK
10ns width
Test input
Disc.
DATA
BUFFER
To VME bus
10pF
DAC
AD8065
L1
200ns width
+
50Ω
-5V
High speed
Amp.
< 1µs width
CLK
AD8132
+
-
CLK
From PMT
10bit
RC2
AD9215
RC=100ns
10bit/40MSPS
Flash ADC
Pipeline
50Ω
10KΩ
CH1
RC=50ns
VME
interface
Energy sum to
trigger module
1K
+
-
CH2
`
integrator
charge
FPGA
10pF
CH16
1K
S2D
1K
SUM
Single ended to
diff.
Clock,
Trigger,
Check,etc
Energy sum
PMT200
X 16
40MHz Clock (LVPECL)
Central
Trigger
(VME)
Fast hit info
Readout
Module
(VME )
• 9U VME 规范
• 16 道/读出板, 中心探测去需120 块板
L1 Trigger (LVPECL)
Energy sum
< 300ns width
1:16
Fanout
RPC读出电子学
• 在BESIII实验中采用
• 技术先进, 造价低廉
• 指标:
– 位置信息(hit)
触发系统
• 每个探测器模块一个独立触发
–
–
–
–
中心探测器共8块触发板
水切伦科夫探测器3块触发板
水箱切伦科夫探测器3块触发板
RPC 3块触发板
• 每块触发板:
– 能量
– 多重数
– 时间标记
• 时钟分布系统
数据获取系统
•
•
•
•
三个相对独立系统
一个中央控制系统
大量借用BESIII技术与成果
事例率: > 1KHz
数字地形图：研究宇宙线本底及
实验大厅选址
本底及其误差
• 非关联误差: U/Th/K/Rn/neutron
单gamma 记数率 @ 0.9MeV < 50Hz
单中子记数率 < 1000/day
2m water + 45 cm oil shielding
• 宇宙线造成的关联误差: n  Em0.75
中子: >100 MWE + 2m water
Y.F. Wang et al., PRD64(2001)0013012
8He/9Li:
> 250 MWE(near)，>1000 MWE(far)
T. Hagner et al., Astroparticle. Phys. 14(2000) 33
Near
far
Neutrino signal rate(1/day)
560
80
Natural backgrounds(Hz)
45.3
45.3
Single neutron(1/day)
24
2
Accidental BK/signal
0.04%
0.02%
Correlated fast neutron Bk/signal
0.14%
0.08%
8He+9Li
0.5%
0.2%
BK/signal
系统误差
Chooz
Palo Verde KamLAND Daya Bay
Reactor power
0.7
0.7
2.05
Reactor fuel/n spectra
2.0
2.0
2.7
n cross section
0.3
0.2
0.2
0
No. of protons H/C ratio
0.8
0.8
1.7
0.2  0
-
-
2.1
0.2  0
Energy cuts
0.89
2.1
0.26
0.2
Position cuts
0.32
3.5
0
Time cuts
0.4
0.
0.1
P/Gd ratio
1.0
-
0.1  0
n multiplicity
0.5
-
<0.1
Mass
Efficiency
background correlated
<0.13%
0.3
3.3
1.8
0.2
uncorrelated 0.3
1.8
0.1
<0.1
Trigger
0
2.9
0
<0.1
livetime
0
0.2
0.2
0.03
基线优化及Sin22q13 灵敏度
 A
Ti
A
A
A
A
M

T
(1







c


)

b
B
r T A r
i
D
c
d
i
i 
 i
Nbin
i

 2  min   
A
A
2
2
A
 s
Ti  Ti s b  Bi
i 1 A1,3
rA
  dA 2 b A 2 
 D2  c2
 r2 Nbin ci2
 2  2  2   2    2  2 
sD sc
sB 
r sr
i 1 s shape
A1,3  s d
•
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•
•
反应堆关联误差: sc ~ 2%
反应堆非关联误差: sr ~ 1-2%
中微子能谱误差: sshape ~ 2%
探测器关联误差: sD ~ 1-2%
探测器非关联误差: sd ~ 0.5%
本底误差:
– 宇宙线产生的快中子: sf ~ 100%,
– 随机符合: sn ~ 100%,
– 宇宙线产生的8Li, 9He, … : ss ~ 50%
• Bin-to-bin 误差: sb2b ~ 0.5%
2
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
137Cs
Resolution: 8.5%/E
spectrum
Response at different locations
linearity
2.505 MeV
2.295 MeV
1.332 MeV
1.275 MeV
1.173 MeV
1.022 MeV
0.662 MeV
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９月
２９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
Daya Bay collaboration
Europe (3)
JINR, Dubna, Russia
Kurchatov Institute, Russia
Charles university, Czech
North America (9)
LBNL, BNL, Caltech, UCLA
Univ. of Houston,Univ. of Iowa
Univ. of Wisconsin, IIT,
Univ. of Illinois-Urbana-champagne
Asia (12)
IHEP, CIAE,Tsinghua Univ.
Zhongshan Univ.,Nankai Univ.
Beijing Normal Univ.,
Shenzhen Univ., Hong Kong Univ.
Chinese Hong Kong Univ.
Taiwan Univ., Chiao Tung Univ.,
National United Univ.
The Daya Bay Collaboration
X. Guo, N. Wang, R. Wang
Beijing Normal University, Beijing 100875
L. Hou, B. Xing, Z. Zhou
China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413
J. 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. Zhong
Institute of High Energy Physics, Beijing 100039
Z. Li, C. Zhou
Zhongshan University, Guangzhou 510275
X.Q. Li, Y.Xu, S. Fang
Nankai University, Tianjin 300071
Y. Chen, H. Niu, L. Niu
Shenzhen University, Shenzhen 518060
S. Chen, G. Gong, B. Shao, M. Zhong, H. Gong, L. Liang, T. Xue
Tsinghua University, Beijing 100084
M.C. Chu, W.K. Ngai
Chinese University of Hong Kong, Hong Kong
K.S. Cheng, J.K.C. Leung, C.S.J. Pun, T. Kwok, R.H.M. Tsang,
H.H.C. Wong
University of Hong Kong, Hong Kong
B.Y. Hsiung
National Taiwan University, Taipei
G.L. Lin,F.S. Lee, Y.S. Yeh
National Chaotung University, Hsinchu
C.H. Wang
National United University, Hsinchu
Yu. Gornushkin, R. Leitner, I. Nemchenok, A. Olchevski
Joint Institute of Nuclear Research, Dubna, Russia
V.N. Vyrodov
Kurchatov Institute, Moscow, Russia
Z. Dolezal, R. Leitner, V. Pec, V. Vorobel
Charles University, the Czech republic
M. Bishai, M. Diwan, D. Jaffe, J. Frank, R.L. Hahn, S. Kettell,
L. Littenberg, K. Li, B. Viren, M. Yeh
Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973-5000, USA
R.D. McKeown, C. Mauger, C. Jillings
California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125, USA
K. Whisnant, B.L. Young
Iowa State University, Ames, Iowa 50011, USA
W.R. Edwards, K.B. Luk
University of California and Lawrence Berkeley National
Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA
V. Ghazikhanian, H.Z. Huang, S. Trentalange, C. Whitten Jr.
University of California, Los Angeles, CA 90095, USA
M. Ispiryan, K. Lau, B.W. Mayes, L. Pinsky, G. Xu, L.
Lebanowski
University of Houston, Houston, Texas 77204, USA
J.C. Peng
University of Illinois, Urbana-Champaign, Illinois 61801, USA
W. Luebke, C. White
Illinois Institute of Technology
K. Heeger
University of Wisconsin, Madison, USA
美国能源部
中国政府部门
其它
国际资金委员会 (IFC)
实验监管机构(LOG)
H.S. Chen, S. Aronson, J. Segrist
发言人与合作
执行委员会
中方项目经理及
管理办公室
项目顾问团 (PAP)
美方项目经理及
管理办公室
进度计划
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！
Current Knowledge of q13
Direct search
PRD 62, 072002
Global fit
fogli etal., hep-ph/0506083
Sin2(2q13) < 0.18
Sin2(2q13) < 0.09
Allowed region
• 目前实验认为 sin22q13 < 0.09
• 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 sin22q13 ~ 0.1-10 %
model prediction of sin22q13
Experimentally
allowed
at 3s level
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
Currently Proposed sites/experiments
Site
(proposal)
Power Baseline
Detector
Overburden
(GW) Near/Far (m) Near/Far(t) Near/Far
(MWE)
Sensitivity
(90%CL)
Starting
time
Braidwood 6.5
(US)
270/1510
265/ 265
464/464
~ 0.008
-
Chooz-II
(France)
8.7
150/1067
10/10
60/300
~ 0.03
2008 f
2009 n+f
Daya Bay
(China)
11.6
360//500/
1800
40//40/80
260/260/910
~ 0.008
2010
Kaska
(Japan)
24.3
350/1600
6/6/2 6
90/90/260
~ 0.02
2009/
2010
Reno
(S. Korea)
17.3
150/1500
20/20
230/675
~ 0.03
2009/
2010
大亚湾与加速器实验的比较
Detector dimension
Target mass: 20 t
Dimension of target:
3.2 m ×3.2m
Oil buffer thickness
g Catcher thickness
Isotopes
Purity
(ppb)
20cm
(Hz)
25cm
(Hz)
30cm
(Hz)
40cm
(Hz)
238U(>1MeV)
50
2.7
2.0
1.4
0.8
232Th(>1MeV)
50
1.2
0.9
0.7
0.4
40K(>1MeV)
10
1.8
1.3
0.9
0.5
5.7
4.2
3.0
1.7
Total
Why three zones ?
Vessel boundary
• Three zones:
– Complicated acrylic tank construction
– g backgrounds on walls
– Less fiducial volume
Capture on Gd
• Two zones:
– Neutrino energy spectrum distorted
– Neutron efficiency error due to energy scale and resolution:
two zones: 0.4%,
three zones 0.2%
– Using 4 MeV cut can reduce the error by a factor of two, but
backgrounds from bg do not allow us to do so
3 zone
2 zone
cut
cut
Capture on H
Reactor-related Uncertainties of Daya Bay
• The error due to power fluctuations of the reactors is given by:
s sys  s p
f
r
F
f

r 2
N
r
Based on experience of past experiments, due to uncertainty in
measuring the amount of thermal power produced, the uncorrelated
error per reactor core sp  2%.

frF and frN are fractions of the events at the far and near site from
reactor r respectively.
# Reactor
Syst. error due to
Syst. error due to
Total
Cores
Power Fluctuations
Core Positions
syst. error
4
0.035%
0.08%
0.087%
6
0.097%
0.08%
0.126%
Energy Cuts
Dominated by energy scale
KamLAND ~ 1%
Cut, error~0.05%
3 zone
Cut, error ~0.2%
Time Cuts
Neutron time window uncertainty:
 Dt = 10 ns  0.03% uncertainty
 Use common clock
 Baseline = 0.1%
 Goal = 0.03%
1.5% Loss
0.15% Loss
Livetime
• Measure relative livetimes using accurate
common clock
• Use LED to simulate neutrino events
• Should be negligible error
Target Volume
Can be cancelled by swapping
• KamLAND: ~1%
• CHOOZ: 0.02%?
• Flowmeters – 0.02% repeatability
 Baseline = 0.2%
 Goal = 0.02%
H/C and H/Gd ratio
Can be cancelled by swapping
• H/C ratio
– CHOOZ claims 0.8% absolute based on multiple lab
analyses (combustion)
– Use well defined liquid such as LAB and dodecane
– R&D: measure via NMR or neutron capture
– Expected error: 0.1%-0.2%
• H/Gd ratio
– Can be measured by neutron activated x-rays and neutron
capture time
– For Dt = 0.5 ms,  error ~ 0.02%
Cosmic-muons at the laboratory
~350 m
~210 m
~98 m
~97 m
DYB
LA
Mid
Far
Elevation (m)
97
98
208
347
Flux (Hz/m2)
1.2
0.73
0.17
0.045
Energy (GeV)
55
60
97
136
•
Apply modified Gaisser parametrization for cosmic-ray flux at surface
•
Use MUSIC and mountain profile to estimate muon flux & energy
Precision to determine
the 9Li background in situ
Spectrum of accidental background
Fast neutron spectrum from MC