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如今中微子振荡已被太阳中微子实验、大气层中微子实验、以及核反应堆中微子实验所证实。中微子振荡的根源在于其味本态与质量本态不完全相同,意味着中微子具有质量。这种现象是目前唯一超出粒子物理标准模型的新现象。
大亚湾反应堆中微子实验将在90%的置信度下达到0.01的精度测量混合角sin22θ13,较过去的实验提高近一个数量级。大亚湾实验是一个中微子“消失”的实验。大亚湾实验设有三个实验大厅,两个相同的近点实验大厅和一个远点实验大厅。通过比较远近探测器测得的中微子通量,就可以知道中微子是否发生了振荡。2011年8月15日大亚湾近点实验大厅的两个中微子探测器开始探测中微子。
大亚湾的六个反应堆,总热功率为11.6千兆瓦,是世界上四个最大功率的反应堆群之一。实验利用中微子在大型液体闪烁体探测器中的反β衰变反应来探测电子反中微子。反β衰变反应是电子反中微子被氢核俘获,生成一个正电子和一个中子的过程。中微子的能量几乎全由正电子带走,在液体闪烁体内有1兆电子伏特-8兆电子伏特的能量沉积。生成的中子经慢化后在液体闪烁体中掺杂的钆元素上被俘获,以伽马光子的形式放出约8兆电子伏特的能量,比正电子信号平均慢30微秒。正电子能量与延迟中子能量符合确定中微子事例。我们计划使用放射源和μ子引起的散裂中子来进行能量刻度。散裂中子特别重要,因为它和反β衰变反应的慢信号有更多相同特性。
为了干净地挑选中微子事例,大亚湾实验使用6兆电子伏特慢信号能量阈值。慢信号的能量阈值对与探测器相关的误差是至关重要的。基于蒙特卡罗模拟我们估计慢信号的能量阈值有~0.2%的相对误差。
高灵敏度的光电倍增管安装在探测器的内表面,放大并记录这些闪光。光电倍增管系统的效能对取6兆电子伏特能量阈值的影响是决定性的,因此会对验灵敏度造成很大影响。这篇论文对光电倍增管、读出电子学系统、触发器作了详细报告,对实验灵敏度的影响进行了精确的分析。
第一章简要总结了中微子振荡的实验历史,以及介绍了中微子振荡的唯象学。第二章讲述了大亚湾反中微子探测器、μ子系统的设计,敏感度和系统误差。第三章讨论的是Hamanlatsu R5912电倍增管信号的详尽测量,包括光电子电荷响应、非线性、饱和、过冲、基线震荡、前脉冲、后脉冲、暗噪声。按照测量结果我们做了一种详细的光强宽量程的模拟模型。第四章介绍了触发器、读出器的设计。
第五章探究了电倍增管、电子学系统引起的误差。快信号过冲、基线震荡使慢信号的能量测量失真,引起触发器死时间。对反β衰变来说,基于蒙特卡罗模拟我们估计能量测量的误差很小,对探测器相关的误差的影响可以忽略不计。因此,我们可以得出结论大约60%的散裂中子不受电子学恢复的影响,所以不妨碍能量刻度的方案。第六章阐明了光电倍增管的电荷增益,基线的刻度。
本论文最后章简要总结了大亚湾第一个星期数据的分析结果。本章第一部分做了反中微子探测器触发器的效率的研究。为了测试实验灵敏度的预测,我们做了散裂中子和镅中子源的数据的分析。第五章总结的模拟结果和测量结果之间存在一致性。本章最后部分阐明了怎样选择中微子事例,最终我们展示选择的中微子事例的能谱。