發(fā)布時(shí)間：2020-11-10 13:42

　　 大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)(Daya Bay)利用大亞灣和嶺澳核電站反應(yīng)堆產(chǎn)生反電子中微子,來(lái)測(cè)量與θ13混合角相關(guān)的振蕩模式,其物理目標(biāo)是精確測(cè)量sin22θ13,使其精度達(dá)到0.01甚至更好。Daya Bay是大型國(guó)際合作中微子實(shí)驗(yàn),到目前為止有來(lái)自全世界230多名科學(xué)家參與。Daya Bay合作組于2012年3月8日宣布首次發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式,測(cè)量出sin22θ13 = 0.092 土0.016(stat.)士0.005(syst.),入選《自然》雜志評(píng)選的2012年十大科學(xué)進(jìn)展。Daya Bay物理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)要求非常低的本底事例率,需要研究清楚混入到信號(hào)中的各種本底,尤其是宇宙線繆子相關(guān)的本底事例。宇宙線繆子產(chǎn)生的中子是地下低本底事例率實(shí)驗(yàn)一個(gè)重要的本底來(lái)源,例如測(cè)量中微子振蕩參數(shù)、研究雙貝塔衰變和尋找暗物質(zhì)等。使用Daya Bay探測(cè)器收集數(shù)據(jù)測(cè)量三個(gè)實(shí)驗(yàn)廳中宇宙線致中子的產(chǎn)額,結(jié)果為Yn=(10.26 土0.86)× 10-5,(10.22 士 0.87)× 10-5 和(17.03 ± 1.22)× 10-5μ-1 g-1 cm2,分別對(duì)應(yīng)250、265和860 m.w.e的地下深度。使用冪函數(shù)Yn = aEμb擬合Daya Bay和其它實(shí)驗(yàn)的中子產(chǎn)額測(cè)量值,得到b = 0.77 ±0.03,給出了中子產(chǎn)額與繆子能量準(zhǔn)確的依賴關(guān)系,為將來(lái)江門中微子實(shí)驗(yàn)(JUNO)相關(guān)中子本底預(yù)測(cè)提供重要的借鑒意義。該研究結(jié)果發(fā)表在Phys.Rev.D 97.052009,是Daya Bay實(shí)驗(yàn)關(guān)于中子產(chǎn)額研究的第一項(xiàng)成果。同時(shí)我們比較測(cè)量結(jié)果與Geant4和FLUKA模擬預(yù)測(cè)值,其差異揭示了 Geant4和FLUKA不能夠完全準(zhǔn)確模擬中子產(chǎn)生的物理過(guò)程。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,我們使用Daya Bay中子產(chǎn)額精確測(cè)量值對(duì)于Geant4在液體閃爍體探測(cè)器中產(chǎn)生中子的物理過(guò)程進(jìn)行較為全面的研究,填補(bǔ)了不同物理過(guò)程與實(shí)驗(yàn)測(cè)量之間對(duì)比研究的空白。該研究能夠促進(jìn)Geant4模擬中強(qiáng)子物理模型的更新和改善,為將來(lái)其它實(shí)驗(yàn)提供更為準(zhǔn)確的繆子模擬,例如JUNO。JUNO是繼Daya Bay實(shí)驗(yàn)之后又一項(xiàng)在建的中基線反應(yīng)堆中微子振蕩實(shí)驗(yàn),是中國(guó)重大基礎(chǔ)科學(xué)研究項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)主要的物理目標(biāo)是中微子質(zhì)量順序的確定和中微子振蕩混合參數(shù)的精確測(cè)量,同時(shí)也將開(kāi)展大氣中微子、超新星中微子和超新星遺跡中微子(DSNB)等物理課題的研究。在以上多個(gè)物理課題研究中,尤其針對(duì)靈敏度的測(cè)量,如何有效排除和壓低宇宙線相關(guān)各種本底是一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題。我們利用Daya Bay相關(guān)本底研究得到的成果以及積累的工作方法開(kāi)展JUNO宇宙線相關(guān)本底的模擬預(yù)測(cè)工作,主要包括宇宙線繆子產(chǎn)生的中子本底和大氣中微子相關(guān)的本底�？娮赢a(chǎn)生的快中子是JUNO中精確測(cè)量反應(yīng)堆和DSNB中微子的重要本底之一。我們模擬產(chǎn)生大統(tǒng)計(jì)量的繆子樣本,壓低統(tǒng)計(jì)誤差,估計(jì)了較為準(zhǔn)確快中子本底的事例樣本。對(duì)于反應(yīng)堆中微子和DSNB測(cè)量的能量區(qū)間,快中子本底模擬預(yù)測(cè)的事例率分別為2.2和3.4/year/18.3kton。同時(shí)我們也開(kāi)展大氣中微子相關(guān)本底模擬預(yù)測(cè)研究。大氣中微子相關(guān)的中性流反應(yīng)是DSNB靈敏度研究中最大本底,研究發(fā)現(xiàn)其事例率是信號(hào)的20倍。對(duì)應(yīng)DSNB探測(cè)的能量區(qū)間,DSNB信號(hào)事例率預(yù)測(cè)為0.14/kton/year,中性流本底事例率為(3.3士0.7)/kkton/year,而帶電流本底事例率為0.02/kton/year。該研究是JUNO合作組內(nèi)首次系統(tǒng)計(jì)算了低能大氣中微子在探測(cè)器內(nèi)的中性流和帶電流過(guò)程,預(yù)測(cè)了對(duì)DSNB探測(cè)的本底貢獻(xiàn)。使用平均中微子能量14MeV數(shù)值模擬計(jì)算方法得到的DSNB信號(hào),能夠在10年的統(tǒng)計(jì)量下,其靈敏度到達(dá)3σ。DSNB靈敏度與中微子平均能量以及黑洞比例有關(guān)系,更高的中微子平均能量和超新星黑洞形成比例能夠得到更好的靈敏度。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O572.321
【部分圖文】：

子以及它們之間的相互作用。目前對(duì)于這些的認(rèn)知都包含在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型??中。標(biāo)準(zhǔn)模型解釋了基本粒子之間相互作用，為當(dāng)前所有實(shí)驗(yàn)提供了成功的物??理解釋。圖１．１列出標(biāo)準(zhǔn)模型中１２種基本粒子（６種夸克、６種輕子）以及４種??傳遞相互作用力的中間玻色子。??ｍａｓｓ—?？２．３ＭｅＷｃ：?？１．２７５?ＧｅＶ／ｃ＾?＊１７３．０７?ＧｅＷｃ＊?〇?＊１２６?ＧｅＶ／ｃ＊??＾?１１?２／３?ｒ?２，３?ｆ?。?Ｑ；?。?Ｈ??—Ｗ?淡?Ｗ?＾３／?１／２?１?泳�！�?１??ｕｐ?ｃｈａｒｍ?ｔｏｐ?ｇｌｕｏｎ??．：－．．二．：二?＇?＇二．??＝＞４．８?Ｍ＃鄭?茫??？９５?ＭｅＶ／ｃ＊?？４．１８?ＧｅＶ／ｔ＊?０??＾?－１／３?：?ｐｉ?－１／３?ｑ?１／３?Ｕ?〇?Ｙ??ａ：?ｉ／２?ｉ／２?＾０?ｉ／２?ｉ?ｌｙ??＜?５?ｊ?ｒ＇＇＇?ｉ?＂??ｄｏｗｎ?ｓｔｒａｎｇｅ?ｂｏｔｔｏｍ?ｐｈｏｔｏｎ??＿■?ｒ＿ｒ＇?ｉｎ＾—ｉｗｉｗｒ＊＾?．?ｉｉｉｊｗｔｗｒｔｎ＇ｉｎｔｆｗｗｗｗＭ＾??０．５１１?ＭｅＶ／ｃＪ?１０５．７?ＭｅＶ／Ｃ１?１．７７７?ＧｆｉＶＡ：１?９１．２?ＧｅＶ／ｃ２??；ｅ?；；?］ｉ?；；?ｔ?：?Ｚ，?＾??ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｍｕｏｎ?ｔａｕ?Ｚ?ｂｏｓｏｎ?ｊ?〇??＾?＜２．２?ｅｖ／ｃ＾?＜０．１７?Ｍｅｖ／ｃ＾?＜１５．５?ＭｅＶ／ｄ?８０．４?ＧｅＶ／ｃ＾?

１．２．１中微子歷史??中微子的發(fā)現(xiàn)??１９３０年，泡利（Ｗｏｌｆｇａｎｇ?Ｐａｕｌｉ）（圖１．２（ａ））在研究哀變的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)??衰變的過(guò)程中能量和動(dòng)量并不守恒。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，泡利認(rèn)為丟失的能量是被??一種看不見(jiàn)、不與物質(zhì)相互作用的中性粒子帶走。１９３３年，費(fèi)米（Ｅｎｒｉｃｏ?Ｆｅｒｍｉ）??（圖１．２（ｂ））給出了更為復(fù)雜的０衰變的理論依據(jù)，包括了泡利假設(shè)的粒子。費(fèi)??米將其重新命名為“ｎｅｕｔｒｉｎｏ”，即中微子。其費(fèi)米學(xué)說(shuō)能解釋許多實(shí)驗(yàn)上觀察??到的現(xiàn)象。??１９５６年，柯萬(wàn)（Ｃｌｙｄｅ?Ｃｏｗａｎ）和雷因斯（Ｆｒｅｄ?Ｒｅｉｎｅｓ）宣布他們發(fā)現(xiàn)一種??粒子符合中微子的性質(zhì)。這一個(gè)粒子就是電子中微子。因?yàn)樗麄兪状翁綔y(cè)到中??微子因此獲得了?１９９５年的諾貝爾獎(jiǎng)。１９６２年，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室和在歐洲核??子物理中心有了一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：他們利用加速器發(fā)現(xiàn)了第二種中微子，即繆??子中微子。其發(fā)現(xiàn)者萊德曼（Ｌ．?Ｌｅｄｅｒｍａｎ）、施瓦茨（Ｍ．?Ｓｃｈｗａｒｔｚ）和斯坦伯??格（Ｊ．?Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇｅｒ）因此獲得了?１９８８年的諾貝爾獎(jiǎng)。１９８９年

１９５７年，龐蒂科夫提出中微子有微小質(zhì)量，且存在多種中微子能夠相互轉(zhuǎn)??化，這個(gè)現(xiàn)象稱為中微子振蕩。??１９６８年，來(lái)自布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的戴維斯（Ｒ．?Ｄａｖｉｓ）（圖１．３（ａ））在美國(guó)??Ｈｏｍｅｓｔａｋｅ的一個(gè)廢舊金礦中觀測(cè)到了太陽(yáng)中微子。但是測(cè)量得到的太陽(yáng)中微??子數(shù)目只是預(yù)期值的１／３，這個(gè)現(xiàn)象被稱為“太陽(yáng)中微子失蹤之謎”。１９８５年，??日本神崗（Ｋａｍｉｏｋａｎｄｅ）實(shí)驗(yàn)采用大型的水切倫科夫探測(cè)器來(lái)尋找質(zhì)子衰變以??及中微子。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)實(shí)際探測(cè)到來(lái)自大氣中繆子中微子要小于??預(yù)期，稱為“大氣中微子異�！�。這個(gè)異�，F(xiàn)象在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是由探測(cè)器的效率??低造成的。??１９９８年，超級(jí)神崗（Ｓｕｐｅｒ－Ｋａｍｉｏｋａｎｄｅ）實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量到繆子中微子隨天??頂角的變化關(guān)系，證實(shí)了中微子振蕩現(xiàn)象，同時(shí)間接證明了中微子具有微小的??質(zhì)量。２００１年，加拿大ＳＮＯ實(shí)驗(yàn)在探測(cè)太陽(yáng)中微子的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)電子中微??子確實(shí)少了，但是中微子的總數(shù)不變。２００２年，日本ＫａｍＬＡＮＤ實(shí)驗(yàn)利用反??應(yīng)堆中微子證實(shí)了太陽(yáng)中微子振蕩模式。２００３年日本Ｋ２Ｋ實(shí)驗(yàn)和２００６年美國(guó)??ＭＩＮＯ實(shí)驗(yàn)使用加速器證實(shí)了大氣中微子振蕩模式。??（ａ）?Ｒ

本文編號(hào)：2877997