中微子实验中宇宙线缪子以及大气中微子相关本底的研究

发布时间：2020-11-10 13:42

　　 大亚湾中微子实验(Daya Bay)利用大亚湾和岭澳核电站反应堆产生反电子中微子,来测量与θ13混合角相关的振荡模式,其物理目标是精确测量sin22θ13,使其精度达到0.01甚至更好。Daya Bay是大型国际合作中微子实验,到目前为止有来自全世界230多名科学家参与。Daya Bay合作组于2012年3月8日宣布首次发现了中微子的第三种振荡模式,测量出sin22θ13 = 0.092 土0.016(stat.)士0.005(syst.),入选《自然》杂志评选的2012年十大科学进展。Daya Bay物理目标的实现要求非常低的本底事例率,需要研究清楚混入到信号中的各种本底,尤其是宇宙线缪子相关的本底事例。宇宙线缪子产生的中子是地下低本底事例率实验一个重要的本底来源,例如测量中微子振荡参数、研究双贝塔衰变和寻找暗物质等。使用Daya Bay探测器收集数据测量三个实验厅中宇宙线致中子的产额,结果为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,分别对应250、265和860 m.w.e的地下深度。使用幂函数Yn = aEμb拟合Daya Bay和其它实验的中子产额测量值,得到b = 0.77 ±0.03,给出了中子产额与缪子能量准确的依赖关系,为将来江门中微子实验(JUNO)相关中子本底预测提供重要的借鉴意义。该研究结果发表在Phys.Rev.D 97.052009,是Daya Bay实验关于中子产额研究的第一项成果。同时我们比较测量结果与Geant4和FLUKA模拟预测值,其差异揭示了 Geant4和FLUKA不能够完全准确模拟中子产生的物理过程。针对这个问题,我们使用Daya Bay中子产额精确测量值对于Geant4在液体闪烁体探测器中产生中子的物理过程进行较为全面的研究,填补了不同物理过程与实验测量之间对比研究的空白。该研究能够促进Geant4模拟中强子物理模型的更新和改善,为将来其它实验提供更为准确的缪子模拟,例如JUNO。JUNO是继Daya Bay实验之后又一项在建的中基线反应堆中微子振荡实验,是中国重大基础科学研究项目。该实验主要的物理目标是中微子质量顺序的确定和中微子振荡混合参数的精确测量,同时也将开展大气中微子、超新星中微子和超新星遗迹中微子(DSNB)等物理课题的研究。在以上多个物理课题研究中,尤其针对灵敏度的测量,如何有效排除和压低宇宙线相关各种本底是一个关键性的问题。我们利用Daya Bay相关本底研究得到的成果以及积累的工作方法开展JUNO宇宙线相关本底的模拟预测工作,主要包括宇宙线缪子产生的中子本底和大气中微子相关的本底。缪子产生的快中子是JUNO中精确测量反应堆和DSNB中微子的重要本底之一。我们模拟产生大统计量的缪子样本,压低统计误差,估计了较为准确快中子本底的事例样本。对于反应堆中微子和DSNB测量的能量区间,快中子本底模拟预测的事例率分别为2.2和3.4/year/18.3kton。同时我们也开展大气中微子相关本底模拟预测研究。大气中微子相关的中性流反应是DSNB灵敏度研究中最大本底,研究发现其事例率是信号的20倍。对应DSNB探测的能量区间,DSNB信号事例率预测为0.14/kton/year,中性流本底事例率为(3.3士0.7)/kkton/year,而带电流本底事例率为0.02/kton/year。该研究是JUNO合作组内首次系统计算了低能大气中微子在探测器内的中性流和带电流过程,预测了对DSNB探测的本底贡献。使用平均中微子能量14MeV数值模拟计算方法得到的DSNB信号,能够在10年的统计量下,其灵敏度到达3σ。DSNB灵敏度与中微子平均能量以及黑洞比例有关系,更高的中微子平均能量和超新星黑洞形成比例能够得到更好的灵敏度。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O572.321
【部分图文】：

子以及它们之间的相互作用。目前对于这些的认知都包含在粒子物理标准模型??中。标准模型解释了基本粒子之间相互作用，为当前所有实验提供了成功的物??理解释。图１．１列出标准模型中１２种基本粒子（６种夸克、６种轻子）以及４种??传递相互作用力的中间玻色子。??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＃郑?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中微子历史??中微子的发现??１９３０年，泡利（Ｗｏｌｆｇａｎｇ?Ｐａｕｌｉ）（图１．２（ａ））在研究哀变的过程中，发现??衰变的过程中能量和动量并不守恒。针对这个现象，泡利认为丢失的能量是被??一种看不见、不与物质相互作用的中性粒子带走。１９３３年，费米（Ｅｎｒｉｃｏ?Ｆｅｒｍｉ）??（图１．２（ｂ））给出了更为复杂的０衰变的理论依据，包括了泡利假设的粒子。费??米将其重新命名为“ｎｅｕｔｒｉｎｏ”，即中微子。其费米学说能解释许多实验上观察??到的现象。??１９５６年，柯万（Ｃｌｙｄｅ?Ｃｏｗａｎ）和雷因斯（Ｆｒｅｄ?Ｒｅｉｎｅｓ）宣布他们发现一种??粒子符合中微子的性质。这一个粒子就是电子中微子。因为他们首次探测到中??微子因此获得了?１９９５年的诺贝尔奖。１９６２年，布鲁克海文实验室和在欧洲核??子物理中心有了一个惊人的发现：他们利用加速器发现了第二种中微子，即缪??子中微子。其发现者莱德曼（Ｌ．?Ｌｅｄｅｒｍａｎ）、施瓦茨（Ｍ．?Ｓｃｈｗａｒｔｚ）和斯坦伯??格（Ｊ．?Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇｅｒ）因此获得了?１９８８年的诺贝尔奖。１９８９年

１９５７年，庞蒂科夫提出中微子有微小质量，且存在多种中微子能够相互转??化，这个现象称为中微子振荡。??１９６８年，来自布鲁克海文实验室的戴维斯（Ｒ．?Ｄａｖｉｓ）（图１．３（ａ））在美国??Ｈｏｍｅｓｔａｋｅ的一个废旧金矿中观测到了太阳中微子。但是测量得到的太阳中微??子数目只是预期值的１／３，这个现象被称为“太阳中微子失踪之谜”。１９８５年，??日本神岗（Ｋａｍｉｏｋａｎｄｅ）实验采用大型的水切伦科夫探测器来寻找质子衰变以??及中微子。在这个实验中，他们发现实际探测到来自大气中缪子中微子要小于??预期，称为“大气中微子异常”。这个异常现象在当时被认为是由探测器的效率??低造成的。??１９９８年，超级神岗（Ｓｕｐｅｒ－Ｋａｍｉｏｋａｎｄｅ）实验精确测量到缪子中微子随天??顶角的变化关系，证实了中微子振荡现象，同时间接证明了中微子具有微小的??质量。２００１年，加拿大ＳＮＯ实验在探测太阳中微子的过程中，发现电子中微??子确实少了，但是中微子的总数不变。２００２年，日本ＫａｍＬＡＮＤ实验利用反??应堆中微子证实了太阳中微子振荡模式。２００３年日本Ｋ２Ｋ实验和２００６年美国??ＭＩＮＯ实验使用加速器证实了大气中微子振荡模式。??（ａ）?Ｒ

本文编号：2877997