中微子振荡—大亚湾实验及其未来发展

Reactor neutrino exp.
• • • • Clean signal, no cross talk with δ and matter effects Relatively cheap compare to accelerator based experiments Can be very quick Provides the direction to the future of neutrino physics
• No good reason(symmetry) for sin22θ13 =0 • Even if sin22θ13 =0 at tree level, sin22θ13 will not vanish at low energies with radiative corrections • Theoretical models predict sin22θ13 ~ 0.1-10 %
– Reactor-related:
• Optimize baseline for best sensitivity and smaller residual errors • Near and far detectors to minimize reactor-related errors
– Detector-related:
ν1 ν2 ν3
θ13 ?
mi ?
Current Knowledge of θ13
Direct search PRD 62, 072002
M.C. Gonzalez-Garcia et al., JHEP1004:056,2010
Allowed region G.L.Fogli et al., J.Phys.Conf.Ser.203:012103
• 2001年, 日本的 年 日本的KamLAND实验发现 实验发现 反应堆中微子(ν 与太阳中微子 有 与太阳中微子(ν 反应堆中微子 νe)与太阳中微子 νe)有 相同的消失性能, 相同的消失性能 证明太阳和反应堆 中微子确实是发生了振荡
中微子振荡及其未解决的问题
中微子振荡： 中微子振荡：
中微子振荡与中微子质量相关联， 中微子振荡与中微子质量相关联，是中微子研究中的核心问题 中微子振荡于1998年被证实，获2001年 诺贝尔奖 年被证实， 中微子振荡于 年被证实 年 已发现的中微子振荡有两种： 已发现的中微子振荡有两种：大气中微子振荡和太阳中微子振荡
大气中微子振荡
60年代， 60年代，印度的宇宙线实验中发现大气中微子反常 年代 1985年 美国IMB IMB和日本神岗实验证实大气中微子反常 1985年，美国IMB和日本神岗实验证实大气中微子反常 1998年 日本超级神岗实验证实大气中微子振荡 1998年, 日本超级神岗实验证实大气中微子振荡
小柴昌俊 2001 Nobel price 2001
We need a precision of ~ 0.4%
Currently Proposed sites/experimentsቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Site (proposal) Power (GW) Baseline Near/Far (m) 300/1500 150/1067 Detector Overburden Near/Far(t) Near/Far (MWE) 50/500 10/10 200/1700 60/300 Sensitivity (90%CL) ~0.006 ~ 0.03
太阳中微子振荡: 太阳中微子振荡 SNO实验 实验
• 2001年, 加拿大的 年 加拿大的SNO实验发现太阳中微子 νe)在飞 实验发现太阳中微子(ν 实验发现太阳中微子 在飞 向地球的过程中变为另一种中微子(ν 向地球的过程中变为另一种中微子 νµ 或ντ)
太阳中微子振荡: 太阳中微子振荡 KamLAND实验 实验
Atmospheric accelerator
reactor accelerator
solar reactor
Double beta decays
• Unknown parameters in neutrino oscillation:
– θ13 , mass hierarchy, CP phase δ + Majorana phase
粒子和原子核衰变, 核反应堆,太阳的热核反应, 粒子和原子核衰变, 核反应堆,太阳的热核反应, 超新星爆 加速器， 发,加速器，g-暴，宇宙线 ……
奇怪的中微子： 奇怪的中微子：只有左旋中微子 守恒的原因
弱作用宇称不
中微子研究的中心议题： 中微子研究的中心议题：质量
• 由于数目巨大，中微子质量对宇宙的形成与演化有重要影响 由于数目巨大， • 卫星实验测得： Σi mvi < 0.7 eV 卫星实验测得： • 粒子物理标准模型认为中微子质量为零
– 构成宇宙中的暗物质 – 中微子振荡与宇宙中物质与反物质不对称有关 – 中微子与大尺度宇宙结构的形成有关
中微子是粒子物理， 中微子是粒子物理，天体物理与宇宙学研究中的热点与交叉
中微子振荡
• 1962年，因信仰共产主义而逃到前苏联的 年 Bruno Pontecorvo 提出如果中微子质量不 严格为零， 严格为零，且中微子的质量本征态与弱作 用本征态不同，根据量子力学， 用本征态不同，根据量子力学，不同的中 微子之间可以相互转换 • 判断中微子质量是否为零的方法
Reactor experiments:
Pee ≈ 1 − sin22θ13sin2 (1.27∆m213L/E) − θ ∆ cos4θ13sin22θ12sin2 (1.27∆m212L/E) θ ∆
Long baseline accelerator experiments:
Pµe ≈ sin2θ23sin22θ13sin2(1.27∆m223L/E) + θ ∆ cos2θ23sin22θ12sin2(1.27∆m212L/E) − θ ∆ A(ρ)•cos2θ13sinθ13•sin(δ) ρ• θ δ
– 功率高（世界第二） 功率高（世界第二） – 周围有山，便于建设地下实验室以屏蔽宇宙线本底 周围有山， – 造价较低，没有根本的技术困难 造价较低，
• 世界各国共有 个实验建议，三个正在进行中 世界各国共有8个实验建议 个实验建议， • 难点：精度较过去提高一个量级 难点： • 我们的突破：独特设计+环境优势 我们的突破：独特设计+环境优势 达到精度要求
太阳中微子振荡
60年代， 60年代，R. Davis 发现到达地球的太阳中微子数只有理论预 年代 期值的1/3 期值的1/3
Theoretical Predictions
R. Davis 2001 Nobel price
νe + 37Cl → 37Ar + e1500米深的矿井中 1500米深的矿井中 615吨四氯乙烯 615吨四氯乙烯 30年中一共探测 在30年中一共探测 到约2000 2000个中微子 到约2000个中微子
Reactor Experiment: comparing observed/expected neutrinos:
Typical precision: 3-6%
Precision of past exp.
• Reactor power: ~ 1% • Spectrum: ~ 0.3% • Fission rate: 2% • Backgrounds: ~1-3% • Target mass: ~1-2% • Efficiency: ~ 2-3%
~ 0.008 ~ 0.03
How to reach 1% precision ?
• Increase statistics:
– Powerful nuclear reactors(1 GWth: 6 x 1020 νe/s) – Larger target mass
• Reduce systematic uncertainties:
Angra dos 6.0 Reis (Brazil) Double Chooz (France) Daya Bay (China) Reno (S. Korea) 8.7
17.4 17.3
360//500/1 800 150/1500
40//40/80 20/20
260/260/910 230/675
中微子振荡 —大亚湾实验及其 大亚湾实验及其 未来发展
王贻芳 中国科学院高能物理研究所
物质世界最基本的单元之一： 物质世界最基本的单元之一：中微子
中微子是构成物质世界的最基本单元之一： 中微子是构成物质世界的最基本单元之一： e µ τ u c t d s b ν ν ν µ τ e 中微子质量极轻，不带电荷，与物质的相互作用十 中微子质量极轻，不带电荷， 分微弱, 分微弱,极难探测 需要用体积庞大的探测器 宇宙中的中微子与光子一样多， 100/cm 宇宙中的中微子与光子一样多，~ 100/cm3 大多数粒子物理和核物理反应都有中微子产生： 大多数粒子物理和核物理反应都有中微子产生：
Neutrino flux of a commercial reactor with 3 GWthermal : 6× 1020 ×
ν /s
Neutrino detection:
νe + p → e + n
Inverse-β reaction in liquid scintillator +
µs(0.1% Gd) τ ≈ 28 µ
Rome, Cimitero Acattolico
Dubna， Pontecorvo’s ofice ，
两种中微子之间的振荡
νe νµ νe νµ
振荡几率
振荡频率
三种中微子振荡
• A mixing matrix:
Atmospheric
CP phase & θ13
Solar
Majorana phase
How Neutrinos are produced in reactors ?
The most likely fission products have a total of 98 protons and 136 neutrons, hence on average there are 6 n which will decay to 6p, producing 6 neutrinos
n+p n + Gd
d + γ (2.2 MeV) Gd* + γ (8 MeV)
Neutrino Event: coincidence in time, space and energy
Neutrino energy:
Eν ≅ Te + + Tn + ( M n − M p ) + me +
10-40 keV 1.8 MeV: Threshold
model prediction of sin22θ13 θ
Experimentally allowed at 3σ level σ
An experiment with a precision for sin22θ13 θ less than 1% is desired
大亚湾反应堆中微子实验
• 用大亚湾反应堆测量 θ13是我国粒子物理发展的一个重大机遇： 是我国粒子物理发展的一个重大机遇：
中微子振荡三个未解决的问题： 中微子振荡三个未解决的问题：
寻找第三种振荡， 寻找第三种振荡，用θ13表示 质量顺序问题 (类似于夸克 对称性破缺？ 类似于夸克)对称性破缺 类似于夸克 对称性破缺？ 大亚湾中微子实验 大亚湾中微子实验二期 ？ 未来的加速器实验
θ12太阳中微子振荡 θ23大气中微子振荡
– 中微子质量不为零 ==》超出标准模型的新物理 ==》 – 如何在标准模型中赋予中微子质量 ？
• Option 1: Dirac 中微子 • Option 2: Majorana中微子 Majorana中微子
• 中微子是Dirac或Majorana，即中微子与反中微子是否同一 中微子是Dirac或Majorana， Dirac 个粒子是粒子物理的一个根本问题 • 中微子与宇宙学关系密切： 中微子与宇宙学关系密切：