大亞灣中微子實驗(Daya Bay)利用大亞灣和嶺澳核電站反應堆產生反電子中微子,來測量與θ13混合角相關的振蕩模式,其物理目標是精確測量sin22θ13,使其精度達到0.01甚至更好。Daya Bay是大型國際合作中微子實驗,到目前為止有來自全世界230多名科學家參與。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,測量出sin22θ13 = 0.092 土0.016(stat.)士0.005(syst.),入選《自然》雜志評選的2012年十大科學進展。Daya Bay物理目標的實現(xiàn)要求非常低的本底事例率,需要研究清楚混入到信號中的各種本底,尤其是宇宙線繆子相關的本底事例。宇宙線繆子產生的中子是地下低本底事例率實驗一個重要的本底來源,例如測量中微子振蕩參數、研究雙貝塔衰變和尋找暗物質等。使用Daya Bay探測器收集數據測量三個實驗廳中宇宙線致中子的產額,結果為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,分別對應250、265和860 m.w.e的地下深度。使用冪函數Yn = aEμb擬合Daya Bay和其它實驗的中子產額測量值,得到b = 0.77 ±0.03,給出了中子產額與繆子能量準確的依賴關系,為將來江門中微子實驗(JUNO)相關中子本底預測提供重要的借鑒意義。該研究結果發(fā)表在Phys.Rev.D 97.052009,是Daya Bay實驗關于中子產額研究的第一項成果。同時我們比較測量結果與Geant4和FLUKA模擬預測值,其差異揭示了 Geant4和FLUKA不能夠完全準確模擬中子產生的物理過程。針對這個問題,我們使用Daya Bay中子產額精確測量值對于Geant4在液體閃爍體探測器中產生中子的物理過程進行較為全面的研究,填補了不同物理過程與實驗測量之間對比研究的空白。該研究能夠促進Geant4模擬中強子物理模型的更新和改善,為將來其它實驗提供更為準確的繆子模擬,例如JUNO。JUNO是繼Daya Bay實驗之后又一項在建的中基線反應堆中微子振蕩實驗,是中國重大基礎科學研究項目。該實驗主要的物理目標是中微子質量順序的確定和中微子振蕩混合參數的精確測量,同時也將開展大氣中微子、超新星中微子和超新星遺跡中微子(DSNB)等物理課題的研究。在以上多個物理課題研究中,尤其針對靈敏度的測量,如何有效排除和壓低宇宙線相關各種本底是一個關鍵性的問題。我們利用Daya Bay相關本底研究得到的成果以及積累的工作方法開展JUNO宇宙線相關本底的模擬預測工作,主要包括宇宙線繆子產生的中子本底和大氣中微子相關的本底。繆子產生的快中子是JUNO中精確測量反應堆和DSNB中微子的重要本底之一。我們模擬產生大統(tǒng)計量的繆子樣本,壓低統(tǒng)計誤差,估計了較為準確快中子本底的事例樣本。對于反應堆中微子和DSNB測量的能量區(qū)間,快中子本底模擬預測的事例率分別為2.2和3.4/year/18.3kton。同時我們也開展大氣中微子相關本底模擬預測研究。大氣中微子相關的中性流反應是DSNB靈敏度研究中最大本底,研究發(fā)現(xiàn)其事例率是信號的20倍。對應DSNB探測的能量區(qū)間,DSNB信號事例率預測為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合作組內首次系統(tǒng)計算了低能大氣中微子在探測器內的中性流和帶電流過程,預測了對DSNB探測的本底貢獻。使用平均中微子能量14MeV數值模擬計算方法得到的DSNB信號,能夠在10年的統(tǒng)計量下,其靈敏度到達3σ。DSNB靈敏度與中微子平均能量以及黑洞比例有關系,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。
【學位單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O572.321
【部分圖文】：

子以及它們之間的相互作用。目前對于這些的認知都包含在粒子物理標準模型??中。標準模型解釋了基本粒子之間相互作用，為當前所有實驗提供了成功的物??理解釋。圖１．１列出標準模型中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））在研究哀變的過程中，發(fā)現(xiàn)??衰變的過程中能量和動量并不守恒。針對這個現(xiàn)象，泡利認為丟失的能量是被??一種看不見、不與物質相互作用的中性粒子帶走。１９３３年，費米（Ｅｎｒｉｃｏ?Ｆｅｒｍｉ）??（圖１．２（ｂ））給出了更為復雜的０衰變的理論依據，包括了泡利假設的粒子。費??米將其重新命名為“ｎｅｕｔｒｉｎｏ”，即中微子。其費米學說能解釋許多實驗上觀察??到的現(xiàn)象。??１９５６年，柯萬（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。這一個粒子就是電子中微子。因為他們首次探測到中??微子因此獲得了?１９９５年的諾貝爾獎。１９６２年，布魯克海文實驗室和在歐洲核??子物理中心有了一個驚人的發(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。１９８９年

１９５７年，龐蒂科夫提出中微子有微小質量，且存在多種中微子能夠相互轉??化，這個現(xiàn)象稱為中微子振蕩。??１９６８年，來自布魯克海文實驗室的戴維斯（Ｒ．?Ｄａｖｉｓ）（圖１．３（ａ））在美國??Ｈｏｍｅｓｔａｋｅ的一個廢舊金礦中觀測到了太陽中微子。但是測量得到的太陽中微??子數目只是預期值的１／３，這個現(xiàn)象被稱為“太陽中微子失蹤之謎”。１９８５年，??日本神崗（Ｋａｍｉｏｋａｎｄｅ）實驗采用大型的水切倫科夫探測器來尋找質子衰變以??及中微子。在這個實驗中，他們發(fā)現(xiàn)實際探測到來自大氣中繆子中微子要小于??預期，稱為“大氣中微子異�！�。這個異常現(xiàn)象在當時被認為是由探測器的效率??低造成的。??１９９８年，超級神崗（Ｓｕｐｅｒ－Ｋａｍｉｏｋａｎｄｅ）實驗精確測量到繆子中微子隨天??頂角的變化關系，證實了中微子振蕩現(xiàn)象，同時間接證明了中微子具有微小的??質量。２００１年，加拿大ＳＮＯ實驗在探測太陽中微子的過程中，發(fā)現(xiàn)電子中微??子確實少了，但是中微子的總數不變。２００２年，日本ＫａｍＬＡＮＤ實驗利用反??應堆中微子證實了太陽中微子振蕩模式。２００３年日本Ｋ２Ｋ實驗和２００６年美國??ＭＩＮＯ實驗使用加速器證實了大氣中微子振蕩模式。??（ａ）?Ｒ

本文編號：2877997