大亚湾反应堆中微子实验的μ子致中子及同位素研究

摘要

中微子振荡是唯一目前观测到超出粒子物理标准模型的现象，被认为是发现新物理的关键与突破口。θ13是中微子振荡理论的六个混合参数之一，其值大小决定了中微子物理今后的发展方向，同时对测量δ混合相位角和中微子质量等级具有重要意义。大亚湾反应堆中微子振荡实验作为高精度、低本底、低能量阈的实验，需要对各种本底进行仔细的研究。宇宙线μ子在探测器中散裂产生中子以及放射性同位素，这些粒子形成了多种重要本底。
　　首先，详细反贝塔衰变(IBD)分析中常见的本底，重点分析了muon带来的8He/9Li本底和快中子本底的事例率和能谱，用于θ13能谱分析。8He/9Li本底部分，按照反中微子探测器(AD)内muon的沉积能量把AD muon分成6个分片，且要求其后有中子事例来对AD muon进行抽样，通过拟合快信号事例距离前一个AD muon的时间间隔分布，得到8He/9Li本底的下限，总误差取50％。由于较少的数据统计量，θ13能谱分析中使用9Li的理论能谱。快中子本底部分，通过[12，99] MeV区间内的数据能谱与RPC标记的muon和外水池反符合系统(OWS)标记的muon产生的运输到AD内的快中子的快信号能谱做对比，得到[0.7，12] MeV能区内的快中子数目，总误差取40％。
　　对于快中子本底中用到的来自数据中的快中子快信号能谱，研究了内水池μ子产生的快中子事例，分析了不同探测器系统时钟漂移，引入第一击中时间(first hit time)变量代替触发时间(trigger time)，并在程序中实现对时钟漂移的纠正和对first hit time的挑选，通过对本底的详细分类与研究，得到内水池muon产生的运输到AD内的快中子事例的快信号能谱分布，未来可用于反贝塔衰变(IBD)事例中快中子本底的估算。
　　为了进行muon物理研究，使用FLUKA软件构建了大亚湾三个实验大厅的几何，用fortran编写muon产生子，深入研究FLUKA内部的物理过程，保存模拟数据到ROOT数据文件，用作后续的中子和同位素产额分析和相关的效率值研究。
　　作为muon物理的一项重要研究方向，研究了muon的中子产额。大亚湾有三个实验厅，对应了三个不同的能量点，分别计算了它们的中子产额。运用了两种不同的挑选中子事例的策略，从AD muon之后和从WP muon之后挑选事例。每个muon之后分别挑选其信号窗口和本底窗口内的事例，然后相减得到中子数目，然后利用产额公式计算产额。并通过模拟研究了相关的效率值和其误差。最后，和世界上其他实验组的中子产额结果对比，做了power law拟合。
　　最后，研究了液闪中muon的同位素产额，具体分析了12B、12N和9C在大亚湾实验中的产额。针对大亚湾muon事例率高，探测器小的客观条件限制，尝试的两种方法为:
　　1)按muon沉积能量把muon分为20-60-500-1500-2500-5000 MeV5个分片，一、二号厅中，前3个slice内的AD muon事例率仍然过大，导致拟合效果很差。
　　2)按muon沉积能量把muon分为20-1500-2500-5000 MeV3个分片，并对第一个分片中的AD muon进行均匀抽样，要求其前后100 ms内，没有其他20-1500MeV的AD muon。拟合效果良好，但需要进一步细致的误差研究。

目录

声明

要摘

表格索引

插图索引

主要符号对照表

第一章 中微子物理及中微子实验

1．1 中微子物理

1．1．1 中微子振荡理论

1．1．2 超出标准模型的中微子

1．1．3 中微子源

1．1．4 中微子的探测方法

1．2 中微子实验

1．2．1 太阳中微子实验

1．2．2 大气中微子实验

1．2．3 加速器中微子实验

1．2．4 反应堆中微子实验

第二章 大亚湾反应堆中微子振荡实验

2．1 物理目标与意义

2．2 实验布局

2．2．1 总体设计方案

2．2．2 基站布局与基线选择

2．3 探测器系统

2．3．1 中心探测器

2．3．2 反符合探测器

2．4 实验进展与最新成果

第三章 反β衰变事例中的8He／9Li本底及快中子本底

3．1 IBD分析中的本底及分类

3．1．1 非关联本底

3．1．2 关联本底

3．2 8He／9Li本底

3．2．1 8He／9Li性质

3．2．2 数据中的9Li／8He数目

3．2．3 数据中8He／9Li能谱

3．2．4 本节总结

3．3 快中子本底

3．3．1 Model Independent估算方法

3．3．2 事例挑选

3．3．3 数目与误差计算

3．3．4 计算结果

3．3．5 本节总结

3．4 本章总结

第四章 内水池μ子产生的快中子快信号能谱

4．1 事例挑选

4．2 本底类别

4．3 第一击中时间(First Hit Time)

4．3．1 探测器时钟时间漂移

4．3．2 First hit time的概念

4．4 本底cut条件

4．5 残留本底的估算

4．6 快中子能谱

4．7 本章总结

第五章 Muon致中子产额

5．1 中子产额的计算方法

5．2 事例挑选

5．2．1 事例挑选条件

5．2．2 信号窗口事例的组成成分

5．3 效率修正值研究

5．3．1 中子部分

5．3．2 Muon部分

5．4 误差研究

5．4．1 中子数目

5．4．2 AD Muon数目

5．4．3 ρGDLS

5．4．4 ξSST-n

5．4．5 ξspill ξgeo和ξmimic

5．4．6 Laverage track lenght和ξμ

5．4．7 ξe ξt和ξGd

5．5 中子产额的结果

5．6 Power Law拟合

5．7 实验数据和MC数据的对比

5．8 本章总结

第六章 Muon致同位素产额

6．1 同位素介绍

6．2 同位素产额分析

6．2．1 5个muon分片时的时间与能谱联合拟合

6．2．2 3个muon分片时的时间与能谱联合拟合

6．3 本章总结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 今后工作展望

附录

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果