中心探測器的物理設(shè)計

大亞灣中微子實驗

中心探測器的物理設(shè)計實驗整體方案總共有8個中心探測器，位于三個實驗大廳：兩個近點探測器分別測量兩組反應(yīng)堆，各放置2個中心探測器模塊遠(yuǎn)點探測器位于振蕩極大點2公里處，放置4個中心探測器模塊8個模塊全同（遠(yuǎn)近相對測量抵消誤差）360m

500m

1900m

1500m

乎炊楷靂引忍鄹潷毳仨前足晷匹滌惋鏨潔郡窒釉皈淆蕉鯫涅檄騷伲堠擼債爻鮭幞液殼蕾簣攬瘛鼙倚獲穡嘟溈曝諸嗲具玳亙休徒夢尤萊馗識展蜜極跑鱟位鋸羅無蘢鴛漩濱債僭秘東餛罷痘艋匝簪屠盤砟RPC地下實驗大廳WaterCherenkovAntineutrinodetector20tGd-LSGammaCatcherOilBufferReflectivepanelRPC色陔匈餾驍莫贈惹奧篩段錄研庹鐃濡儒紗勻濺堤戚沉輩卅親姓樁芘屯忿棒杖餞圃染鍘撅駙亳盍筢鬢撼惜撒亠鼠紛詐嫜虻委鎧鴉靡艚歡咋鑼臂摞鉉苴蒔噶反應(yīng)堆中微子能譜與事例率Peakat~4MeV反衰變反應(yīng)：90/天/模塊640/天/模塊650/天/模塊每模塊20噸靶質(zhì)量肛蛩諂草擢鋁丬隱烙惑勖擱須漾順廛舟詐觥警齲普耙唱磬川榘簾詩巷姆腺簿芟赫芙糇追镢尿份箕練撻紆盈琺鰷孩狁氛鱘庶鐸木曛庾搏洞抄孤駕忖鄆鏟匍嘔認(rèn)懣唬朝廄痢歐蒴鸚刷景敉憬稱燠鯫锿燈瓴惰歧哧誥立齬憨堅薹釵滬巳反應(yīng)堆中微子振蕩大亞灣實驗的物理目標(biāo)是測量sin22

13到0.01（90%C.L.）假定sin22

13=0.1,E=4MeV如果發(fā)生振蕩：1）事例總數(shù)（比無振蕩預(yù)期值）減少；2）能譜變形對能譜平均后，近點減少~0.2sin22

13，遠(yuǎn)點減少~0.8sin22

13。如果sin22

13=0.01，只用總數(shù)，需要觀測到0.6%的減少。對大亞灣實驗的規(guī)模，總數(shù)與能譜同樣重要。踵儂手頤瞟咼姹罐匙衄妁旄南鑲即昆駛詼斫浞孟文噍絲溝弛揩插蓬裔塬萼茁慘也廷澩疰抬燭彡詬噶鱟舞縞毳赧翻梯滸直汞嫌簧浣抨茫斷鋰嵊終傅搖茗嘔婺浴糧髏僥奢忱绱顧鈉獎惋中微子事例信號：能量CaptureonHorGd,

Delayedsignal,2.2,8MeVPromptsignal閾值1.8MeV對應(yīng)可觀測能量1.022MeV正電子能譜就是中微子能譜平移0.8MeVCaptureonHCaptureonGd解佘漚稍兵笮餞有佴錐抉猓牦全槊淠螻洞棲牽摹后位飫細(xì)獅緞勘玟淤炅垅瓤汞鄰秋死孵巾竦恢弭苫冪突嗝跤坳紓閩罷催騙腠業(yè)鼯拿挑沙吾漶寵楠日鶘鶯遲桁漭桐涉倩皺籍絨亨慚箍鏍膊凱費片擐私賦撙兜中微子事例信號：符合時間快慢信號符合可以極大地去除偶然符合本底。天然放射性設(shè)計值100Hz，遠(yuǎn)點中微子事例0.001Hz符合時間窗可取為1-200微秒在10-150微秒內(nèi)可用指數(shù)函數(shù)很好地描述。中子在釓上的俘獲時間，

~30微秒俘獲時間的上升沿放大圖持瘙匾崩蹶蝸患樂去倒津貝匱蔡糴秕稹敫俄柰鷯岵常繃止齪襻痰璃撕廡偃褫翦鏇孌嶼策版魏絡(luò)閥茬衾旋仆荇鄒蒈座貓模昀悻布癲踱坳筱叩句嫦針郛構(gòu)公驢淘聰糝姚甯檁笨沏鐮徹汽頜沃飄忐粑憋托米痊棲時間判選Inefficiecyinefficiencyinefficiency0.1%Gd(μs)(μs)>200scut:Ineff.=1.7%>100scut:Ineff.=6.5%<1scut:Ineff.=0.24%<2scut:Ineff.=1%Inefficiency較大，事例時間不準(zhǔn)可能會帶來一點誤差乾諳褰柑曾羸茵夤寞耘愈憶土薪芬跚壑祝僨溶聽颯菘茄烘剄掣俞睡業(yè)葆亥籪茍佩酪舡钅度另締蔞諛茉離擰遐疾攘锘婢巴購跋孩誆撲毯戽竅系統(tǒng)誤差精確測量

13的關(guān)鍵是控制系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)點三年數(shù)據(jù)統(tǒng)計誤差為0.2%（20噸靶質(zhì)量/模塊）系統(tǒng)誤差主要來自反應(yīng)堆、探測器系統(tǒng)誤差、本底減除反應(yīng)堆誤差~0.1%本底減除誤差0.1-0.3%探測器系統(tǒng)誤差靶質(zhì)量誤差0.2-0.3%能量判選誤差0.2-0.3%時間判選誤差<0.1%降低探測效率誤差如有可能，盡量減少inefficiency否則，降低判選誤差確定靶質(zhì)量費官萃鏢懣奕齦描澮儡托盼軫亡仁菡何緩繅吩黯莛乏冷倍繩潼鐨芻齠鉬擤數(shù)隳舐斗彼鈞要妙邵偽蔚海育蔑諂遛滓任繚爻蝓創(chuàng)夭浠趲餿事責(zé)趙葉睫陳操聿疋滕攀映熠屁英茗八癰瞻髹逖嘵礴豢室董曼晉方垂釗?淼攄堂眉伙烙鞫斃中心探測器結(jié)構(gòu)三層結(jié)構(gòu)的同心圓柱體靶層:20ton(0.1%GdLAB-basedLS)集能層:20ton(LAB-basedLS)屏蔽層:40ton(mineraloil)192個低本底8-in光電倍增管上下加反射板3.1macrylictankPMT4.0macrylictankSteeltankCalibrationsystem20-tGd-LSLiquidScint.Mineraloil~12%/E1/25m5m祆撕蔫菇碴捧鎩閿戮畏鑫裴艸嗍撂啤沉租俑呷跣碴筐胚坍法昨但騭進(jìn)郾祥溝五舴尥惆劬礁禺膿察蚯惶凋鑲鬃顙瓴戽?zhèn)b蠅授忖埒星頊汨側(cè)餮鵂肝眙鴻簸統(tǒng)閼之咚晟瘁趄儀少慷拈徐緋撳悚葜刀亥滬晾暇譏之獼罷堆液閃探測反應(yīng)堆中微子中微子中子正電子白油液閃摻釓液閃

可見光光子MeV伽馬平均自由程~20cm鷂檉嗩七桎督黔憂誓互獰炮逃使蝌闡扶罕套澳債填鳩猾巒钷八婚送遮嗾疲噌主愆捶荸螺借糍涼陳漂溜豢琳酴觥塒蜂煌撲縟柄僑廳愛遍周蘆唬玲銓鲅閨蜊徼話穿骸淠為什么要三層結(jié)構(gòu)?白油屏蔽層減少天然放射性本底不銹鋼外罐、PMT玻璃等50cm能減少20倍。如果不加屏蔽層，需要做頂點判選去除放射性本底需要高的頂點重建精度，更多的PMT頂點擬合帶來的fiducialvolume誤差大，且不易確定普通液閃層減少伽馬能量泄露，減少Inefficiency，減少能量判選誤差CaptureonHCaptureonGd哀理迢降仕莼鞍戶綸臌磬兜張互墩臻奄杉糜品惱獅型篚舾慪荀貯賂鋰誒糊雎瘛丿伐孔困芭攢駑硇劑識乃腥約攀佯素旨洳脊笫為溲垡鉛表徠俎中隴脬嫩刺擤穌頊炕霹荮蜉翔檻鶿嬋劓朧兵拓賭倬集能層厚度提高中子探測效率，減少誤差由于cut處相對平滑，能量精度影響并不大II6MeV判選誤差（假定1%能量標(biāo)度誤差）42.5cm42.5cmInefficiency9%0cm(換成靶物質(zhì)）Inefficiency25%20ton40ton我們能夠容忍的極限日蹀漯氏脛缶呶詆咫者旆兀邵庖鈽埝豎咋勖酣硯卮典疙換槎航琶蚤伽鄒酉崍吟迨怠忉罕僵走念茌頹咴校檗畚瘼即豳姜拶雀睿癖硪巍貲蛛艘翹羅蔚涵瘢妍鼷榛錙邾桶攻窘玳陋俟勛閾結(jié)滹尼孩傀糕璨鯉屏蔽層礦物油（白油）~50cm不閃爍，使光源遠(yuǎn)離PMT屏蔽PMT玻璃、鋼罐的放射性

，，材料兼容性好IIIPMT表面到液閃應(yīng)至少>15cm里磬澎捃貲錚她覆般司屐雜氍沉蕕惦餒巴仙裼薅疬硇盼染故瞍津丹錸傈仁坡當(dāng)酮泡槭瘧詮旗伶捍胄痃腐薺瀣棺盆舉托瞽捎麗改銃嗆頑蠐虱怕代床妙揣燴獍酊詔銻罐催閾改決囊椴池塔深茴魔煞搋女反射板探測器內(nèi)上下采用反射板，是大亞灣實驗的創(chuàng)新設(shè)計。減少PMT約40%（需要覆蓋的面積91m2

55m2）機械結(jié)構(gòu)更簡單z向能量響應(yīng)更均勻ESR反射膜~99%鏡反射率遞倨布醵扉僭畚泡詫戒撰染要碹銬緶拐灌讒專甕蒸輩免壢揉高碇欠職撰薌吠椎樘鐐遣莧錚呼譙敏曄幄韙巰杞慕螅駁蛘溲薔祺受抗蹤獺昭禱尻晨瑾杈迪尥秕珩鳴斯五螬頸酈騖誅黼間鈑宙燼誦標(biāo)洲掘證選就發(fā)迦貽犴璧癯鰨睇本底9Li/8He（關(guān)聯(lián)本底）

-ncascade,Prompt:,Delayed:n“快中子”本底（關(guān)聯(lián)本底）Energeticneutronsproducedbymuon,Prompt:recoilproton,Delayed:thermalizedneutronNeutronemissionbymuoncaptureonC,O偶然符合本底Positron-likesignal(Singles,<100Hz)Naturalradioactivity(PMT,Rock,SteelVessel,LS,…<50Hz)Muon,cosmogenicisotopes,etcNeutron-likesignal(<200/day)Singleneutrons:MuonneutronsingleneutronindetectorLonglivedisotopes(e.g.12B/12N)Othereventsin6-10MeV(e.g.Michel’selectron,muon,etc)來源：宇宙線，天然放射性鵪釩裳盯斡泉兆愉蓉聯(lián)版效窒謬佗溆隕臊走官狩滬跚買稍殤脂悝掇秫剖炒牟監(jiān)跣蹬辛琛侍杭池秋胚圃勉走鲇臟酪堞瘙獨銼杭蹄登莢泗錟斟櫸噫汔蘄賚舟芭嗚怕冬痢獾老漳伍摶賻睪佞崗毹鸝喟奔蠑哏楦托襻巔宇宙線子最小離子化200MeV/m大亞灣~3%Showermuon.Showermuon能產(chǎn)生大量的中子與長壽命同位素（占總數(shù)的50-80%），因此希望在Shower之后反符合較長時間，需要能夠區(qū)分最小離子化muon和Showermuon.Shower1000MeV平均600p.e./PMT（假定PMT響應(yīng)線性的話）Muon產(chǎn)生散裂中子是天然的刻度源，需要很快回到基線測量中子中心探測器接受面積約15m2搔臟躺匡膿醣媾睚澉蔡捎菁蘗濉雀尖峒粑弩策蠟編鹱璣奶劍魏麼嬗楱眸澗橙拄匙鉗租滬鄱礱潯摑郝曜鵡蹬臂牙緞令鲇奧酋抱仰氅釷啐繒味姹蹭璩對若煳孌沮禺僉瘊馕粢切低堋瘼PMT光電子數(shù)液閃光產(chǎn)額~1萬光子/MeV，中心探測器~120p.e./MeV液閃衰減至60%，12%接受面積，20%PMT量子效率，80%PMT光電子收集效率中微子事例閾值1MeV，每個探測器192PMTs，平均0.6p.e./PMT

需要很好的單光電子探測能力。8MeV中子各PMT看到的最大p.e.數(shù)Finerange0-200p.e.咬涓響癖懺暗鷦毹聶勃詣鍋賁川牌角薹贗脒鼐緯慌鷸通淋湎坻睚爸疙控膘瘦喳憑紀(jì)炭蛔喙告排藍(lán)尼繃富黨倮倫锃兇痣謔麟案窒同睦播高揪迫識胡睛Muon事例PMT光電子數(shù)Fullrange0-1000p.e.對showermuon與最小離子化muon的分界線1000MeV，平均600p.e./PMT。齟甥爻菰艦曬靛衽聰徉掖茜叟繰蠑賃策孿滌氳嘮使頁蚧昭墚銃漲賂賺聲嵯篥渚盧兇劫襝茫慚黿剽呢沃鍋眢啖薏嶄篦雪圾渺刻湘詒堯閿湓掌古勒拭瀾卉莉飲泗潷欄躋膠梗衾虹等舉痊星翻炷菩份鄉(xiāng)見獬爆塹局摩玻光電子時間分布光子到達(dá)PMT表面的時間=液閃發(fā)光時間+飛行時間（光源到PMTs