大亚湾实验中微子振荡分析和江门实验事例能量测量的研究

论文摘要

中微子振荡是当前唯一超出粒子物理标准模型的实验现象。在三代中微子模型中,描述振荡现象的参数包括三个混合角（θ12,θ23,θ13）、两个质量平方差（△m122,△m322）和一个CP破坏相角δ。对太阳中微子之谜和大气中微子异常的研究,证实了中微子振荡,并且对θ12、θ23、△m122和|△m322|进行了测量。2012年以前未知的振荡参数包括θ13的值、△m322的正负以及CP破坏相角的值。反应堆做为干净的电子反中微子源,可以提供大统计量的中微子事例,对前两个参数进行测量。大亚湾反应堆中微子实验通过测量反应堆释放的电子反中微子的消失几率,利用最初55天的数据在5.2σ的置信度下确定了θ13不为零,第一次观察到了第三种振荡模式。截止到2017年8月30日,大亚湾实验的取数时间达到1958天,近点探测器探测到大约350万电子反中微子事例,远点探测器探测到大约50万电子反中微子事例,是目前世界上最大统计量的反应堆中微子样本。本文从反应堆中微子事例的挑选出发,研究了随时间变化的缪子反符合效率、多重性挑选效率以及偶然符合本底,根据反应堆释放的中微子能谱,预期了探测器的快信号能谱,通过构造包含6+8+7AD三段时期数据的χ2函数给出了最新的sin2 2θ13和|△m322|的拟合结果,sin22θ13=0.0860±0.0023（stat）±0.0016（syst）,正序假设下 △m322=[2.4648±0.0472（stat）±0.0507（syst）]× 10-3 eV2。测量精度分别达到了 3.4%和2.8%,其中统计误差占比大约分别为60%和50%,sin2 2θ13的测量精度继续保持世界领先水平,对|△m322|的测量精度与加速器中微子实验相当。江门实验利用不同质量平方差之间的干涉效应,预期6年取得10万反应堆中微子事例后,在3 的置信度下确定中微子的质量顺序。为了区分正反质量顺序对中微子能谱的影响,江门实验要求探测器的能量分辨率达到3%√E（MeV）。本文从能量重建出发,基于少量的刻度数据,开发了光学模型无关的能量重建算法,可以将探测器的非均匀性控制在±1%以内。本文还研究了聚光罩在江门实验中的应用,研究表明聚光罩可以弥补由于光电倍增管间距增加造成的光子损失,保证能量分辨率的统计项不会变差,同时可以在一定程度上减小探测器的残余非均匀性,从而降低能量分辨率的非统计项。本文最后对线性烷基苯的性质进行了研究,包括瑞利散射长度和部分热力学参数。本文设计实验对线性烷基苯的瑞利散射长度进行了绝对测量,在4π立体角的探测器中,瑞利散射长度对探测器的光电子产额有很大的影响,从而影响能量分辨率的统计项。测量结果表明室温下线性烷基苯在432 nm波长的瑞利散射长度为27.1±0.9（stat.）±1.7（syst.）m,液闪的透明度可以满足实验要求,有利于达到目标的能量分辨率。本文测量了线性烷基苯在室温下的热扩散率和等压比热容,利用热力学基本关系式以及以前的测量结果,推导得到了热传导率和声速,是液闪罐装以及刻度系统定位的重要参考数据。

论文目录

• 论文创新点
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 2 中微子振荡
•   2.1 中微子振荡的简介
•     2.1.1 中微子的发现
•     2.1.2 中微子振荡的发现
•     2.1.3 中微子的相互作用
•       2.1.3.1 中微子与电子的弹性散射
•       2.1.3.2 反贝塔衰变
•       2.1.3.3 中微子与氘核的反应
•       2.1.3.4 相干散射
•     2.1.4 中微子的真空振荡
•   2.2 中微子振荡实验
•     2.2.1 大气中微子
•     2.2.2 太阳中微子
•     2.2.3 加速器中微子
•     2.2.4 反应堆中微子
• 3 大亚湾反应堆中微子实验
•   3.1 物理目标和研究意义
•   3.2 实验设计和探测器系统
•     3.2.1 实验设计
•     3.2.2 探测原理
•     3.2.3 反中微子探测器
•     3.2.4 宇宙线缪子反符合系统
•   3.3 实验进展和展望
• 4 大亚湾实验的振荡分析
•   4.1 事例挑选和本底
•     4.1.1 电子反中微子事例挑选
•     4.1.2 事例挑选效率
•     4.1.3 本底
•     4.1.4 电子反中微子样本
•   4.2 预期快信号能谱
•     4.2.1 反应堆中微子能谱
•     4.2.2 预期快信号能谱
•   4.3 系统误差
•     4.3.1 反应堆相关的系统误差
•     4.3.2 探测器相关的系统误差
•       4.3.2.1 靶质子数
•       4.3.2.2 探测效率
•       4.3.2.3 相对能标
•       4.3.2.4 非线性效应
•       4.3.2.5 IAV效应
•     4.3.3 本底相关的系统误差
•   4.4 振荡分析
• 2函数'>    4.4.1 包含系统误差的χ²函数
•     4.4.2 盲分析
• 13'>    4.4.3 事例率分析拟合θ₁₃
•     4.4.4 事例率与谱形分析
•     4.4.5 L/E
•   4.5 本章小结
• 5 江门中微子实验
•   5.1 江门实验的物理目标
•     5.1.1 质量顺序
•     5.1.2 振荡参数的精确测量
•   5.2 实验设计及探测器系统
•     5.2.1 实验设计
•     5.2.2 探测器系统
•   5.3 实验进展与展望
• 6 江门实验的事例重建
•   6.1 液闪探测器中的光学过程
•     6.1.1 瑞利散射
•     6.1.2 边界效应
•     6.1.3 支撑杆的挡光效应
•   6.2 光学模型无关的能量重建算法
•   6.3 能量重建算法的性能测试
•     6.3.1 理想探测器中的性能表现
•     6.3.2 实际探测器中的性能表现
•     6.3.3 顶点重建精度的影响
•   6.4 顶点重建算法的GPU加速
•     6.4.1 算法正确性的验证
•     6.4.2 算法的性能表现
•   6.5 本章小结
• 7 聚光罩的设计及测试
•   7.1 聚光罩简介
•     7.1.1 复合抛物线型聚光罩
•     7.1.2 复合切线型聚光罩
•     7.1.3 二次贝塞尔曲线参数化的聚光罩
•   7.2 聚光罩在江门实验中的性能研究
•     7.2.1 聚光罩的模拟
•     7.2.2 聚光罩的性能表现
•       7.2.2.1 光电倍增管的收集效率对聚光罩性能的影响
•       7.2.2.2 聚光罩对能量重建的影响
•       7.2.2.3 保护罩对聚光罩的影响
•     7.2.3 安装异常对聚光罩性能的影响
•   7.3 聚光罩的样品测试
•     7.3.1 聚光罩样品
•     7.3.2 测试平台与实验设计
•     7.3.3 数据获取与结果分析
•   7.4 本章小结
• 8 线性烷基苯的性质研究
•   8.1 线性烷基苯的瑞利散射长度
•     8.1.1 液体中的瑞利散射
•     8.1.2 单光子计数方法
•       8.1.2.1 实验装置的搭建
•       8.1.2.2 偏振片的消光比
•       8.1.2.3 线性烷基苯的去极化率
•     8.1.3 瑞利散射长度的绝对测量
•       8.1.3.1 实验设计
•       8.1.3.2 实验装置的刻度
•       8.1.3.3 实验装置的线性检查
•     8.1.4 测量结果与讨论
•   8.2 线性烷基苯的热力学性质测量
•     8.2.1 测量原理
•       8.2.1.1 热扩散率
•       8.2.1.2 等压比热容
•     8.2.2 测量结果及讨论
•   8.3 本章小结
• 9 总结与展望
• 参考文献
• 攻博期间发表的科研成果目录
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴文杰

导师: 乔豪学,周详,何苗

关键词: 中微子振荡,大亚湾实验,振荡分析,江门实验,能量重建,聚光罩,线性烷基苯

来源: 武汉大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 武汉大学

分类号: O572.321

DOI: 10.27379/d.cnki.gwhdu.2019.000102

总页数: 162

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