Transcript 大亚湾中心探测器设计
大亚湾中微子实验 中心探测器的物理设计 曹 俊 中国科学院高能物理所 核探测技术与核电子学重点实验室年会, 2009-4-21 实验整体方案 总共有8个中心探测器， 1900m 1500m 位于三个实验大厅： 两个近点探测器分别测 量两组反应堆，各放置 2个中心探测器模块 500m 360m 远点探测器位于振荡极 大点2公里处，放置4个 中心探测器模块 8个模块全同（远近相 对测量抵消误差） Apr.21, 2009 J. Cao 2 地下实验大厅 Oil Buffer Gamma Catcher RPC 20 t Gd-LS Antineutrino detector Water Cherenkov RP C Reflective panel Apr.21, 2009 J. Cao 3 反应堆中微子能谱与事例率 90/天/模块 Peak at ~4 MeV 650/天/模块 640/天/模块 反衰变反应： 每模块20吨靶质量 e p e n Apr.21, 2009 J. Cao 4 反应堆中微子振荡 大亚湾实验的物理目标是测量sin2213到0.01（90% C.L.） 2 m312 L 4 2 2 m21 L Pee 1 sin 213 sin cos 13 sin 212 sin 4 E 4 E 2 2 假定sin2213=0.1, E=4 MeV 如果发生振荡：1）事例总数（比无振 荡预期值）减少；2）能谱变形 对能谱平均后，近点减少~0.2sin2213， 远点减少~0.8sin2213。如果sin2213=0.01 ，只用总数，需要观测到0.6%的减少。 对大亚湾实验的规模，总数与能谱同样 重要。 Apr.21, 2009 J. Cao 5 中微子事例信号：能量 Prompt signal e e 2 e p e n Capture on H or Gd, Delayed signal, 2.2, 8 MeV 阈值1.8 MeV 对应可观测能量 1.022 MeV e p e n 正电子能谱就是中微子能谱平移0.8 MeV Capture on H Capture on Gd Apr.21, 2009 J. Cao 6 中微子事例信号：符合时间 快慢信号符合可以极大地去除偶然符合本底。 • 天然放射性设计值100 Hz，远点中微子事例0.001 Hz • 符合时间窗可取为1-200微秒 在10-150微秒内可用指数函数很好地描述。 中子在钆上的俘获时间，~30微秒 俘获时间的上升沿放大图 Apr.21, 2009 J. Cao 7 时间判选Inefficiecy inefficiency Inefficiency较大，事例时间不准可能会带来一点误差 0.1% Gd > 200 s cut: Ineff.=1.7% > 100 s cut: Ineff.=6.5% inefficiency (μs) <1 s cut: Ineff.=0.24% <2 s cut: Ineff.=1% (μs) Apr.21, 2009 J. Cao 8 系统误差 精确测量13的关键是控制系统误差 远点三年数据统计误差为0.2% （20吨靶质量/模块） 系统误差主要来自反应堆、探测器系统误差、本底减除 反应堆误差~0.1% 本底减除误差 0.1-0.3% 探测器系统误差 靶质量误差 0.2-0.3% 能量判选误差 0.2-0.3% 时间判选误差 < 0.1% 降低探测效率误差 如有可能，尽量减少inefficiency 确定靶质量 否则，降低判选误差 Apr.21, 2009 J. Cao 9 中心探测器结构 三层结构的同心圆柱体 靶层: 20 ton (0.1% Gd LAB-based LS) 集能层: 20 ton (LAB-based LS) Calibration system Steel tank 屏蔽层 : 40 ton (mineral oil) 192个低本底8-in光电倍增管 上下加反射板 PMT Mineral oil Liquid Scint. 20-t Gd-LS ~ 12% / E 5m 1/2 3.1m acrylic tank 4.0m acrylic tank 5m Apr.21, 2009 J. Cao 10 液闪探测反应堆中微子 e e 2 n Gd Gd * Gd s (8MeV) e p e n 可见光光子 中子 中微子 正电子 MeV 伽马平均自由程~20cm 白油 液闪 掺钆液闪 Apr.21, 2009 J. Cao 11 为什么要三层结构? 白油屏蔽层减少天然放射性本底 不锈钢外罐、PMT玻璃等 50cm能减少20倍。 如果不加屏蔽层，需要做顶点判选去除放射性本底 需要高的顶点重建精度，更多的PMT 顶点拟合带来的fiducial volume误差大，且不易确定 普通液闪层减少伽马能量泄露，减少Inefficiency，减少 能量判选误差 Capture on H Capture on Gd Apr.21, 2009 J. Cao 12 集能层厚度 提高中子探测效率，减少误差 由于cut处相对平滑，能量精度影响并不大 42.5 cm Inefficiency 9% II 0 cm (换成靶物质） Inefficiency 25% 42.5cm 6 MeV判选误差（假定1%能量标度误差） 40ton 20ton 我们能够容忍的极限 Apr.21, 2009 J. Cao 13 屏蔽层 矿物油（白油）~50cm 不闪烁，使光源远离PMT 屏蔽PMT玻璃、钢罐的放射性 ，， 材料兼容性好 III PMT表面到液闪应至少>15cm Apr.21, 2009 J. Cao 14 反射板 探测器内上下采用反射板，是大亚湾实验的创新设计。 减少PMT约40% （需要覆盖的面积 91m2 55m2） 机械结构更简单 z向能量响应更均匀 ESR反射膜~99%镜反射率 Apr.21, 2009 J. Cao 15 本底 9Li/8He -n cascade, Prompt: , Delayed: n “快中子” 本底 （关联本底） （关联本底） Energetic neutrons produced by muon, Prompt: recoil proton, Delayed: thermalized neutron Neutron emission by muon capture on C, O 偶然符合本底 Positron-like signal (Singles, <100 Hz) Natural radioactivity (PMT, Rock, Steel Vessel, LS, … <50 Hz) Muon, cosmogenic isotopes, etc Neutron-like signal (<200/day) Single neutrons: Muon neutron single neutron in detector Long lived isotopes (e.g. 12B/12N) Other events in 6-10 MeV (e.g. Michel’s electron, muon, etc) 来源：宇宙线，天然放射性 Apr.21, 2009 J. Cao 16 宇宙线子 最小离子化 200 MeV/m 大亚湾 ~3% Shower muon. Shower muon能产生大量的中子与长寿命同位 素（占总数的50-80%），因此希望在Shower之后反符合较长时间， 需要能够区分最小离子化muon和Shower muon. 中心探测器接受 面积约15 m2 • 1000 MeV Shower • 平均 600 p.e./PMT （假定PMT响 应线性的话） • Muon产生散裂中子是天然的刻度 源，需要很快回到基线测量中子 Apr.21, 2009 J. Cao 17 PMT光电子数 液闪光产额 ~1万光子/MeV，中心探测器~120 p.e./MeV 液闪衰减至60%，12%接受面积，20% PMT量子效率，80% PMT光电 子收集效率 中微子事例阈值 1 MeV，每个探测器192 PMTs，平均 0.6 p.e./PMT 需要很好的单光电子探测能力。 8 MeV中子 各PMT看到的最大p.e.数 Fine range 0-200 p.e. Apr.21, 2009 J. Cao 18 Muon事例 PMT光电子数 Full range 0-1000 p.e. 对shower muon与最小离子化muon 的分界线1000 MeV，平均600 p.e./PMT。 Apr.21, 2009 J. Cao 19 光电子时间分布 光子到达PMT表面的时间=液闪发光时间+飞行时间（光 源到PMTs距离，直接光与反射光） PMT光电子时间分布 以第一个hit为T0 （正电子事例） 10 20 30 40 50 60 70 80 (ns) Apr.21, 2009 J. Cao 20 电子学要求 Apr.21, 2009 J. Cao 21