【摘要】：中微子振蕩現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以后,大多數(shù)振蕩參數(shù)已經(jīng)通過太陽中微子實(shí)驗(yàn)、大氣中微子實(shí)驗(yàn)、加速器中微子實(shí)驗(yàn)以及反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)測(cè)定,但是中微子質(zhì)量順序依然是未解之謎。2012年大亞灣實(shí)驗(yàn)在5.2σ置信區(qū)間給出θ_(13)角非零的結(jié)論,這為中微子質(zhì)量順序的測(cè)量帶來了希望。江門中微子實(shí)驗(yàn)(JUNO)作為未來大型中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一,其主要目標(biāo)是在6年時(shí)間內(nèi)以3σ置信度給出中微子質(zhì)量順序的測(cè)量結(jié)果,這要求探測(cè)器必須要達(dá)到前所未有的3%/(?)能量分辨率。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),JUNO使用了20,000只大面積、高效率的光電倍增管(PMT)進(jìn)行光子探測(cè),因此其模擬和性能研究是整個(gè)實(shí)驗(yàn)中關(guān)鍵之一。本論文中,首先對(duì)利用超新星中微子鑒別質(zhì)量順序的可能性進(jìn)行了討論,考慮了超新星爆發(fā)的中子化過程以及黑洞形成過程兩種情況。隨后,從光學(xué)原理出發(fā)建立了新的PMT光學(xué)模型,使JUNO探測(cè)器模擬中PMT對(duì)光子響應(yīng)得到了精確描述。另外,PMT的絕對(duì)探測(cè)效率測(cè)量尚未有成熟的方案,論文中提出了一種積分球分光方法,并利用該方法成功標(biāo)定了一只濱松20英寸PMT。超新星中微子是JUNO的探測(cè)目標(biāo)之一,如何利用超新星中微子來確定質(zhì)量順序也是熱門話題。由于超新星爆發(fā)的中子化過程里中微子時(shí)間譜中具有明顯的短時(shí)間特征,因此可以嘗試?yán)貌煌|(zhì)量本征態(tài)在傳播過程中的飛行時(shí)間差別來分辨中微子質(zhì)量順序。對(duì)于不同的質(zhì)量順序,會(huì)在探測(cè)器中測(cè)得事例譜的不同時(shí)間結(jié)構(gòu)。另外,由于黑洞形成過程中會(huì)產(chǎn)生中微子通量的截?cái)喱F(xiàn)象,我們也可以利用這種特征來辨別中微子質(zhì)量順序。但是,由于這種方法要求超新星距離地球較遠(yuǎn)或更大的探測(cè)器,尚無法將其運(yùn)用在JUNO實(shí)驗(yàn)。光電倍增管的模擬難點(diǎn)在于建立精確可靠的PMT響應(yīng)的模型。PMT對(duì)光子的響應(yīng)事實(shí)上是光子在空氣(水)-玻璃-光陰極-真空多層介質(zhì)間的反射、透過和吸收過程,其比例可以根據(jù)斯涅耳定律和菲涅爾公式計(jì)算得到。JUNO所用的光電倍增管置于水中,當(dāng)光子以大角度入射時(shí),會(huì)在光陰極和真空之間發(fā)生全反射現(xiàn)象,這會(huì)顯著提高PMT對(duì)光子的探測(cè)效率。另一方面,PMT的下表面鋁膜以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會(huì)影響其探測(cè)效率。在模擬軟件中添加了光陰極上的薄膜干涉效應(yīng)以后,實(shí)現(xiàn)了對(duì)PMT角度響應(yīng)的精確描述。該模型也被應(yīng)用在PMT批量測(cè)試系統(tǒng)的研究中。強(qiáng)光探測(cè)器件(如PD)的效率可通過測(cè)量其對(duì)已知功率入射光的響應(yīng)度來得到,但是PMT工作在弱光下,無法用相同的手段得到其探測(cè)效率。利用積分球?qū)⑷肷涔夥譃楸壤s為1663:1倍兩束光,便能夠在PMT工作于單光子模式的情況下,使用PD測(cè)得強(qiáng)光的光強(qiáng),并推測(cè)與入射至PMT的弱光光強(qiáng)。另外,PMT絕對(duì)量子效率的標(biāo)定十分容易,根據(jù)探測(cè)效率和量子效率的數(shù)值很容易計(jì)算出PMT的收集效率大小,由于同類型PMT結(jié)構(gòu)的相似性,其收集效率也會(huì)比較接近。論文最后我們總結(jié)了前述工作并對(duì)后續(xù)工作做出了展望。
【圖文】：

圖 1.1: 粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型（來源：[4]）與物質(zhì)發(fā)生相互作用的形式有以下幾種 [5]：微子-電子散射。（反）電子型中微子和電子可以通過交換 Z0（中性流電流）發(fā)生相互作用，其相互作用費(fèi)曼圖1.2a和圖1.2b所示。對(duì)于其微子 νx僅能通過交換 Z0與電子發(fā)生相互作用，如圖1.2c所示。微子-中微子散射：να(p) + να(q) → να(p′) + να(q′)。微子-核子散射。最常見的如反 beta 衰變（方程1.1）。中微子味混合與中微子振蕩68 年，Davis 在太陽中微子實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)中微子流強(qiáng)與 Bahcall 所提出預(yù)測(cè)不符 [6]，也就是太陽中微子丟失問題。其后，更多的中微子實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這意味著中微子是有質(zhì)量且存在輕子味混合的。當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)模

實(shí)驗(yàn)的主要中微子源為陽江核電站與臺(tái)山核電站的核反應(yīng)堆，，為了更好地探測(cè)到中微子質(zhì)量順序，中微子探測(cè)器被放置于兩座核電站的中軸線上，距離兩座核電站的距離均為 53km（如圖1.7），為中基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn) [19]。同時(shí)，為了屏蔽宇宙射線，該實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器被安裝在距離地面約 700 米深的地下。圖 1.7: 江門中微子實(shí)驗(yàn)地理位置及周圍反應(yīng)堆分布（來源：[20]）表 1.2: 江門中微子實(shí)驗(yàn)附近核反應(yīng)堆及其功率核反應(yīng)堆 大亞灣 惠州 陸豐 陽江 臺(tái)山狀態(tài) 運(yùn)行 計(jì)劃 計(jì)劃 建設(shè) 建設(shè)功率 17.4GW 17.4GW 17.4GW 17.4GW 18.4GW圖1.8為江門中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器的示意圖，它主要由三大部分組成：中心探測(cè)器，水切倫科夫探測(cè)器以及 muon 徑跡探測(cè)器。其中，中心探測(cè)器是一個(gè)灌滿液體閃爍體的玻璃球，其直徑為 35.4m，在玻璃球的外部的不銹鋼支架上，固定著 20 英寸以及 3英寸兩種尺寸的光電倍增管。為了能夠在 6 年內(nèi)在 3σ 置信區(qū)間內(nèi)測(cè)得中微子質(zhì)量順-12-
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O572.321

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