大亚湾反应堆中微子实验及其进展.ppt
“振荡”世界的中国力量——记大亚湾反应堆中微子实验团队
“振荡”世界的中国力量——记大亚湾反应堆中微子实验团队作者：暂无来源：《发明与创新·大科技》 2017年第7期大亚湾中微子实验团队常年工作在百米高的花岗岩山体腹中，身处“不见天日”的工作环境，团队却解开了全世界高能物理学家都想解开的谜题——2012年3月8日，他们发现了中微子的第三种振荡模式，并测量到其振荡概率。
由于这项震惊国际物理界的成果，王贻芳获得科学界“第一巨奖”的基础物理学突破奖，成为了第一个获此殊荣的中国科学家。
2017年，“国家自然科学奖一等奖”经过17年9度空缺后，毫无悬念地花落“大亚湾中微子实验”。
在首个全国科技工作者日，大亚湾反应堆中微子实验团队获得首届“全国创新争先奖”。
“全国创新争先奖”每3年评选表彰一次，是仅次于“国家最高科技奖”的科技人才大奖。
中科院高能物理所所长王贻芳说：“获奖对于团队来说是莫大的荣誉，这是国家、社会、公众对团队工作的认可。
”中微子是物质世界最基本的粒子之一，物理学界对它的探索从未停止。
2003年，为了测量最后一个未知的中微子混合参数，国际上有8家实验室竞相提出方案。
中科院高能物理所的大亚湾实验方案精度高达1%，从中脱颖而出，吸引了多国科学家加入。
“当时国际上共有7个国家提出8个方案，最终3个得以实施，大亚湾探测精度最高，数据获取效率位居国际同类装置第一。
”王贻芳回忆，当时，韩国的RENO实验和法国的Double Chooz实验也都致力于寻找中微子的第三种振荡。
2012年2月，实验正式运行后的第二个月，科研人员发现了中微子的第三种振荡。
3月8日，成果发布，比韩国RENO实验快了25天。
成果的论文发表后，国际著名科学杂志和媒体发表报道与评论上百篇。
美国《科学》杂志将其评为2012年十大科学突破之一，并称“如果大型强子对撞机的研究人员没有发现标准模型之外的新粒子，那么中微子物理可能是粒子物理的未来，大亚湾的实验结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻。
大亚湾反应堆中微子实验进展
宇宙线事例的模拟
31
探测器模拟
42.5cm, 91%
灵敏度和靶总靶质量的关系
中子探测效率与集光层厚度的关系
4x20 吨
15cm
PMT对液闪中不同位去
• 去年以来顺利通过了一系列重要的评审 • 2007年3月, 土建初步设计评审 • 2007年4月, 核安全评审 • 2007年4月, 美国能源部CD-1评审会 • 2007年8月, 科技部对大亚湾项目初步设计报告进
• θ13目前最好的结果由Chooz给出, 而CP破坏的相位还没有任何测量。 • 大多数理论模型预言sin22q13 ~ 0.001-0.1 • θ13的精确测量 • 其结果将决定未来轻子区CP破坏的测量, 从而有可能解决宇宙中正反
物质的不对称之谜。 • 对标准模型的扩展提供更强的约束。
90％CL
At m231 = 2.5 103 eV2, sin22 < 0.15
逊分校 ，弗吉尼亚工学院和州立大学
~ 200位研究人员
中国 (18) 高能所，北师大, 成都理工大学，原子能
院，中广核，东莞理工学院，南京大 学，南开大学，山东大学，深圳大学 ，清华大学，中国科技大学，中山大 学， 香港大学，香港中文大学，台湾
大学，交通大学，联合大学
3
为什么是θ13
• 三味中微子振荡模型由三个混合角, 两个质量方差, 一个CP相位描述, θ13是混合角之一。
16
钢罐总体机械设计
尺寸重量受严格限制 足够的强度 接口复杂
电缆穿出 4m有机玻璃罐
反射板
最小元分析 应力分布
桶底与反射板
17
支撑平台与吊具
• 支撑平台 • 中心探测器在水池中的支撑平台已完成工程设计, 并招标。 • 要求支撑110吨探测器, 水平度可调至毫米量级（刻度装置要求） • 吊具 • 装配用35吨吊具, 安装用130吨吊具。 • 已完成概念设计和详细的技术要求文档, 将由专业公司设计生产 • 2008年2月底完成设计, 2008年6月底完成生产
国家核安全局关于大亚湾反应堆中微子实验室项目对运行核电厂安全及环境影响的复函
国家核安全局关于大亚湾反应堆中微子实验室项目对运行核电厂安全及环境影响的复函
文章属性
•【制定机关】国家核安全局
•【公布日期】2007.05.09
•【文号】国核安函[2007]30号
•【施行日期】2007.05.09
•【效力等级】部门规范性文件
•【时效性】现行有效
•【主题分类】核能及核工业
正文
国家核安全局关于大亚湾反应堆中微子实验室项目对运行核
电厂安全及环境影响的复函
(国核安函〔2007〕30号)
大亚湾核电运营管理有限责任公司：
你公司《关于“大亚湾反应堆中微子实验室项目”对营运电厂和在建电厂安全及环境影响的请示》（广核运〔2007〕5号）收悉。
根据《中华人民共和国民用核设施安全监督管理条例》以及大亚湾核电厂和岭澳核电厂运行许可证的规定，我局审查了你公司提交的大亚湾反应堆中微子实验室项目施工及运行对现有运行和在建核电厂安全和环境影响的论证文件，认为在严格控制爆破阈值、保证炸药运行安全的前提下，该项目对现有核电厂的安全及环境影响是可以接受的。
你公司应在进行爆破试验前向我局提交相关爆破试验方案。
同时，你公司应严格按照审评中承诺进行炸药运输和爆破施工，确保核电厂的运行安全。
如有特殊情况，应立即报告我局。
二○○七年五月九日。
中科大参与中微子实验
中科大参与中微子实验
佚名
【期刊名称】《合肥科技》
【年(卷),期】2007(000)010
【摘要】10月15日，记者从中科大获悉．大亚湾反应堆中微子实验室日前在深
圳大亚湾核电基地破土动工，中科大“核探测技术与核电子学”联合实验室张子平、安琪两位教授作为项目组成员参加了动工典礼。
【总页数】1页(P17)
【正文语种】中文
【中图分类】TL8
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1.大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡模式
2.探寻“幽灵粒子”——记2016年度国家自然科学奖一等奖获奖项目“大亚湾反应堆中微子实验发现新的中微子振荡模式”
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4.大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡
5.大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡
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中微子的振荡实验和理论
中微子的振荡实验和理论华南师范大学物理与电信工程学院物理学勷勤创新班作者：黄慧敏蔡莹邱小欢麦展风摘要：，本文主要通过对中微子振荡实验及其理论的阐述，加深对中微子以及中微子振荡的认识,以及阐述对中微子振动实验发展的展望关键词：中微子振荡 MSN效应质量差Abstract：This article states the theory and the experiment of neutrino oscillation for illustrating the current situation and expectation of development of the nertrino oscillation’s experiment .Key word:neutrino oscillation .MSN reaction.mess diffirence.1、引言大亚湾中微子实验宣布发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率，这一实验结果不仅使我们更深入了解了中微子的基本特性，更为未来进行中微子实验破解“反物质消失之谜”奠定科学基础。
1998年在日本Takayama召开的的世界中微子大会上，日本物理学家宣布他们的超神冈国际合作组发现了大气中微子震荡，成为了物理学界的头号新闻。
粒子物理学经典模型认为，中微子的质量为零，在相互作用中轻子数守恒，中微子不会从一种类型转变成另外一种类型。
现在超神冈实验组发现了中微子振荡，这表明了中微子具有质量，中微子可以从μ中微子转变成其他类型的中微子，轻子数也随之不守恒，这推动了物理学的进一步发展。
1930年，为了解释核的β衰变中电子的能力是一个连续谱，泡利引入了中微子这种新型粒子，但人们一直没能从实验中验证中微子的存在。
1941年，我国著名物理学家王淦昌先生建议利用原子核的K电子俘获测原子核的反冲能量来证明中微子的存在。
历经10年，于1952年此实验获得成功，证明了中微子是一个客观存在的粒子。
大亚湾反应堆中微子实验进展
• 2009年3月开始现场组装，8月Prototype组装 完 • 2009年9月开始AD#1和AD#2的正式组装
高能物理大会2010 衡月昆 17
AD大型部件运输
AD 进展（2）：正式组装
高能物理大会2010 衡月昆
19
AD进展（3）：mini dryrun
• 测试AD系统
– – – – – – – – – AD#1 24 PMTs 电子学 DAQ 数据分析 系统调试 刻度研究 噪声研究 触发研究
PMT Mineral oil Liquid Scint. Gd-LS 3m acrylic tank 4.0m acrylic tank
∼ 12% / E1/2
Calibration system
Steel tank
5m
5m
高能物理大会2010 衡月昆 10
Muon 反符合探测器
高能物理大会2010 衡月昆
5
DayaBay and LingAo NPP
LingAo II NPP 2.9GW×2 Under construction (2010)
Dayabay NPP 2.9GW×2
LingAo NPP 2.9GW×2
高能物理大会2010 衡月昆
6
The Daya Bay Collaboration
0% slope 0% slope
• 附近多山的环境，降 低系统误差
– 300m地下降低宇宙 线本底2个量级
高能物理大会2010 衡月昆
0% slope Access portal 8% slope
DYB: 40 ton Baseline: 360m Overburden: 98m Muon rate: 1.2Hz/m2
大亚湾中微子实验光电倍增管输出振铃脉冲的分析研究
大亚湾中微子实验中心探测器 （ Ｄ 采用 Ａ）
日本滨 松公 司 （ ａ ａ ｔ ） 产 的 Ｒ ９２系列 Ｈ ｍ ｍａｓ 生 ｕ ５１
作者 简介 ： 蒋文奇 （ ９ ２一） 男 ， １８ ， 中国科 学 技术 大学 博 士研究生 ， 主要从 事辐 射探测 器前 端读 出 电子学
研究 。通讯作者 ： 王铮 。
的正反馈 ； 在测试 中使用 的电路中并不存在反 馈环 节 ， 也就 排除 正反馈 的可能 。 由于改变电路 中电缆的长度并不改变振铃 的周期 ， 因此也排除了由电缆 的分 布电感和隔 离 直流 电容 （ ３中 Ｃ 、 ５ Ｃ 、 ７ 组 成 谐 振 图 ４ Ｃ 、６ Ｃ ）
电路 的可 能性 。
左图 Ｂ ｓ ａｅ的 Ｃ ５电容为 ４０ Ｆ的陶瓷电容 ， ７ ０ｐ 右图 Ｂ ｓ ａｅ的 Ｃ ５电容为 １ Ｆ的聚丙烯 电容 ０ｎ
我们采用不具有压电效应的聚丙烯 电容来 替换 隔离 直流 电路 中陶 瓷 电容组 成 的隔离 直流
电容 （ ３中 Ｃ 、５ Ｃ 、７ ， 现振 铃 幅 度大 图 ４Ｃ 、６Ｃ ）发 大下 降但 是并 未消 除 （ ６ 。 图 ） 进一 步分 析发 现 ， 电倍 增 管 Ｂ ｓ 光 ａｅ中与始 端 匹配 的 电阻所 串联 的 Ｃ ５电 容 （ ７ 也 是 一 图 ） 个 直 流 高压 左 右下 的 陶瓷 电容 ， 也有 可 能 产 生
关键词 ： 电倍增管 ； 光 前端电子学 ； 振铃 ； 电容 ； 压电效应 中图分类号 ： Ｔ Ｔ Ｎ４，Ｌ８ 文 献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： ０ ５ －９４ ２ １ ）４ ４ ２０ ２ ８０ ３ （０ ２ ０ － ４ － ０ ４
大 亚湾 反应 堆 中微子 实验 是一 个研 究 中微 子 振 荡 的实验 ， 主要 目标 是 利用 核 反 应 堆产 生 的 电子反 中微 子来测 定 一个具 有 重大 物理 意义
大亚湾中微子振荡实验的启示
大亚湾中微子振荡实验的启示作者：何红建来源：《科学》2016年第01期继2015年10月诺贝尔物理学奖公布之后一个月，中微子领域再传喜讯：大亚湾中微子团队斩获2016年“基础物理学突破奖”，共同分享这一大奖的还有其他四个国际中微子实验团队（KamLAND，K2K/T2K，SNO，Super Kamiokande）。
在此向大亚湾合作组，向大亚湾实验组的领头人王贻芳和陆锦标致以衷心祝贺！“突破奖”授予发现三种中微子振荡模式荣获“突破奖”的五个实验团队发现了中微子的三种振荡模式，定量测定了中微子的非零混合角（θ12，θ23，θ13）及中微子质量的平方差。
这些参数都是自然界的基本常数，对于进一步理解中微子质量起源和探索中微子与轻子部分的CP破坏具有重大科学意义（C和P分别代表电荷共轭变换和空间反演变换两种基本分离对称性）。
大亚湾实验结果是一项以中国科学家为主体、联合美国等国的42个单位的292名科学家共同参与，并在中国本土上完成的重大科学发现。
三种不同的中微子v1，v2，vθ3之间有着两两相互转换的性质，描述大气中微子振荡的混合角θ23和描述太阳中微子振荡的混合角θ12，分别由美国南达科他州霍姆斯特克（Homestake）探测器、日本超级神冈（Super Kamiokande）探测器、加拿大萨德伯里中微子天文台（SNO）与神冈液体闪烁反中微子探测器（KamLAND）等实验证明不为零，即中微子之间发生了振荡。
大亚湾合作组在2012年3月8日首次宣布了关于中微子关键混合角θ13非零的突破性发现，超出背景5.2个标准偏差，以大于99.9999%的精度确立了中微子的第三种振荡模式，这是一个测量反电子中微子通过振荡而消失的反应堆中微子实验。
大亚湾团队的这项重大发现是在王贻芳研究员（中科院高能物理研究所）和陆锦标教授（加州大学伯克利分校）的领导下完成的。
2003年以来，有7个国家先后提出了8个实验方案，利用反应堆中微子实验测量θ13，最终投入建造的有3个，包括中国大亚湾实验、法国Double Chooz实验和韩国RENO实验。
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• 如角果。sin22q13<0.01，下一代长基线实验不能测得CP相
4）对中微子物理的未来提供了发展方向 是否要建中微子工厂或超级束流？
大亚湾与Double Chooz 的比较
大亚湾中微子实验
• 目前热功率共 12GW, 2011年将增加到18GW。 • 周围有山，便于建设地下实验室以屏蔽宇宙线本底是关键，
因为中微子产生的讯号十分微弱。
• 测量sin22q13至0.01的精度，具有极为重要的意义
• 大亚湾实验可以达到这个要求，是目前国际设计精度最高的 实验
实验方法: 比较观测与预期的中微子能谱
过去实验的精度: 3-6%
• 裂变元素及n 能谱： ~ 2% • 反应堆功率：~1% • 中微子能谱：~0.3%
建设内容
• 隧道系统（在此不讲） • 中心探测器系统 • 反符合系统 • 读出电子学，触发与数据获取系统 • 软件与物理分析系统 • 机械系统
中心探测器系统
• 圆柱型三层结构中心探测器:
I. 靶: 掺轧液闪（r=1.6m,h=3.2m)
II. 集能层: 普通液闪(r=45cm,h=4.1m) III. 屏蔽层: 矿物油(r=45cm,h=5m)
0% slope
Baseline: 500m Overburden: 98m Muon rate: 0.9Hz/m2
Baseline: ~1000m Overburden: 208m
0% slope
0% slope
8% slope
Baseline: 360m Overburden: 97m Muon rate: 1.2Hz/m2
-
-
11.3
0.459
8.3
0.528
23.7
0.542
High light yield, very transparent High flash point 147oC, environmentally friendly Low cost
0.2%Gd-TMHA+Flour+LAB
19.1
0.478
设计：
机械强度与结构 光学性能 使用要求 与液闪的化学反应 长期稳定性
16个有机玻璃罐
制造
成型方法 精度(<2mm) 强度/壁厚(<1cm) 残余应力 与液闪的化学反应 粘接工艺 清洁
A 2m cylinder
Joint almost invisible
八个不锈钢罐：5m×5m
• 机械强度，几何尺寸，。。。
研究单位： 高能所，BNL，JINR
absl at 430 nm
0.013
1.2% Gd in PC
0.012
0.2% Gd in PC
May 08, 2006
0.011
0.2% Gd in 20%PC 80% Dodecane
0.010
液体闪烁体
• 数量：160吨掺钆液闪，180普通液闪，400吨矿物油 • 要求:
– 高的发光效率 (>50% antracene) – 长的衰减长度(>10m) – 长期稳定性(>5year) – 与有机玻璃不发生化学反应
• 过去的问题： 不稳定
– Palo Verde : 55% antracene, 11m, 0.03%/day
实验安排
两个近点：DYB/LA 一个中点：MID 一个远点
隧道总长度：~3000 m
实验方法80 or 28 ms(0.1% Gd)
n + p d + g (2.2 MeV) n + Gd Gd* + g (8 MeV)
Neutrino Event: coincidence in time, space and energy
大亚湾反应堆中微子实验 及其进展
张家文 中国科学院高能物理研究所
报告内容
• 科学意义与目标 • 研究内容与方案 • 目前状况与预研进展 • 项目队伍、组织与管理 • 进度计划
测量q13的物理意义
1）是自然界的基本参数 2）对理解轻子与夸克之间的关系，研究比目前
的粒子物理标准模型更基本的大统一理论具有 重要意义 3）对解释宇宙中物质-反物质不对称极为重要
• 本底：~1-3%
• 液闪中靶质量：~1-2% • 中微子探测效率：~2-3%
用远点与近点间的相对测量来消除与反应堆有关的误差 将充分屏蔽的探测器置于地下深处来消除本底误差 用特殊设计的探测器及其在远近点间的相对测量来消除与探测器有关的误差
1600m to LA, 1900m to DYB Overburden: 350m Muon rate: 0.04Hz/m2
Gd-loaded scintillator developed at IHEP
Sample
Atten. Len. (m)
Light yield
2: 8 mesitylene: dodecane(LS)
15.0
-
LAB
CH2 CnH2n-1
LAB PPO+ bis-MSB(Flour) in LS 0.2% Gd-EHA + Flour + LS Flour + LAB
– Chooz: ~55% antracene, ~10m, 0.4%/day
• 高能所目前已取得的成绩:
– 自制了测量液闪发光效率及衰减长度的设备 – 研究了清洁液闪的化学方法，特别是去除钍元素的办法 – 寻找与测试了国产原材料，均能满足要求 – 研制了多种满足前述要求的掺钆液闪
液闪及其原料的测量结果
• 每个模块20吨靶质量, 总共80吨
• 四周加光电倍增管读出中微子信号
• 上下加光学反射层，节省1/2光电倍增管
• 每个模块用 ~ 224个 8”PMT
• 分辨率：sE /E = 5%@8MeV, ss ~ 14 cm
III
I II
s 14%
E E(MeV)
Position resolution ~14cm
Neutrino energy:
En Te Tn (M n M p ) me
10-40 keV
1.8 MeV: Threshold
探测器设计：多模块与多重反符合
Other options are under investigation
Redundancy is a key for the success of this experiment