利用加速器中微子测量中微子混合参量的方法研究

Neutrino physics is an outstanding field in the current particle physics. The detailed information about neutrino properties and mixing parameters can be obtained by studying the accelerator neutrinos. The Chinese Spallation Neutron Source (CSNS) is a large current built facility of our country.There are large numbers of accelerator neutrinos while the high energy protons hitting the targets. The theoretical research and Monte Carlo simulation and calculation of the accelerator neutrinos' production and detection not only can help us build the first accelerator neutrino experiment of our country but also be very important for studying the neutrino oscillations and mixing parameters. Base on the former research on the simulation and calculation of the accelerator neutrinos' production and detection and the methods to measure neutrino mixing parameters, for the prophase research of the accelerator neutrino experiments relate to the Chinese Spallation Neutron Source, our project will study the methods to measure neutrino mixing parameters in more detail, including: the theoretical research and simulation and calculation on the particle scattering and neutrinos' production and detection while the high energy protons hitting the targets; search for the possible methods to measure neutrino mixing parameters by the short baseline accelerator neutrino experiments; study on the methods to measure the unknown mixing parameters accurately by the long baseline accelerator neutrino experiments.

中微子物理学是当前粒子物理学研究的前沿，进行加速器中微子研究，既可以深入了解中微子性质，又可以得到中微子混合参量的信息。中国散裂中子源是我国在建的重大科学装置，其高能质子打靶产生大量加速器中微子，对这些中微子的产生和探测过程进行蒙特卡罗模拟和数值计算，不仅能为我国建立第一个加速器中微子实验提供指导，而且对中微子振荡和混合参量测量方法的研究具有重要意义。本项目将在以前加速器中微子产生和探测过程的数值模拟，中微子混合参量测量方法研究等工作基础上，全面开展与中国散裂中子源相关的加速器中微子实验前期工作中的中微子混合参量的测量方法研究，包括：加速器高能质子打靶的粒子散射和中微子产生及相应的探测过程的理论研究和数值模拟；寻找利用短基线加速器中微子实验测量中微子混合参量的可能方法；研究利用长基线加速器中微子实验精确测量未知混合参量的方法。

中国散裂中子源是我国在建的重大科学装置，预计2018年建设完成并接受国家验收。在其高通量质子打靶产生中子过程中，会附带产生大量加速器中微子。对这些中微子的产生和探测过程进行研究，不仅能为我国建立第一个加速器中微子实验提供指导，而且对中微子参量和性质的研究具有重要意义。本项目研究过程中，首先对加速器束流跟踪、质子打靶的粒子散射、中微子产生及探测过程进行非常详细的理论研究和蒙特卡罗模拟，并取得预期的成果。其次，对中国散裂中子源短基线加速器中微子探测进行深入研究，初步设计一个简单探测器，然后经过精确模拟和数值计算得到不同反应通道所能探测到的不同味中微子事例数。结果表明，虽然高精度地测量中微子混合参量比较困难，但还是能比较好的测量中微子散射截面。在研究过程中，我们发现加速器中微子能谱跟超新星中微子能谱比较接近，因而在中国散裂中子源建立中微子探测器可以同时测量加速器中微子和超新星中微子。经过深入的理论研究，并进行精确地数值计算和蒙特卡罗模拟，我们给出同时测量加速器中微子和超新星中微子的可行性方法。最后，我们对在中国散裂中子源进行长基线加速器中微子实验进行深入地研究，详细分析利用江门中微子探测器探测散裂中子源加速器中微子的可能性，经过详细的蒙特卡罗模拟和数值计算，考虑各种实验误差和本底，结果显示探测到的中微子事例数比较少，进行长基线中微子实验比较困难。因而，参考日本散裂中子源的主环，我们初步计划在中国散裂中子源设计大型加速器，并研究利用江门中微子探测器探测其产生中微子的可行性。