大亚湾实验反应堆中微子能谱的精确测量

The Daya Bay Reactor Neutrino Experiment is designed to precisely measure the last unknown neutrino mixing angle theta13, with a precision of sin^2(2theta13) less than 0.01 at 90% C.L. Recently, the Daya Bay experiment observed anti-neutrino disappearance and measured a non-zero theta13 with a significance of 5.2 standard deviations. In the next 3 years, we will precisely measure the energy spectrum of reactor anti-neutrinos and do a shape analysis to get the most precise value of theta13. This research project will study the method to precisely measure the spectrum of reactor anti-neutrinos. We will resolve several key issues, like the detector non-uniformity and non-linearity, the backgrounds estimation and the uncertainties of their rates and spectra, and the method to use near halls measurement to predict the far hall, etc. Finally we will provide the most precise anti-neutrino spectra, including all systematics, for final theta13 fitting. The analysis methods and technologies developed in the early stage of this research project, were adopted in the first result of the Daya Bay experiment.

大亚湾反应堆中微子实验目标是精确测量最后一个未知的中微子混合角theta13，使sin^2(2theta13)测量值达到0.01的精度。目前实验取得首个重要成果，以5.2倍标准偏差确定theta13不为零。下一步将通过精确测量中微子能谱，并与理论预期能谱比较，仔细评估实验的系统误差，最终分析出theta13的精确值。本项目将研究反应堆中微子能谱的精确测量，解决几个关键问题，如探测器能量响应的非均匀性和非线性，各种本底的谱形及误差以及如何用近点能谱预期远点等，为theta13的精确测量提供必不可少的输入。本项目前期所发展的分析方法和分析结果，大部分被合作组采用，写入第一篇物理文章。

大亚湾反应堆中微子实验目标是测量最后一个未知的中微子混合角theta13。大亚湾实验在2012年初用55天的数据以5.2σ置信度确定theta13不为零，2012年底利用139天的数据以7.7σ进一步确认theta13非零，并提高了theta13测量精度。大亚湾实验将收集到世界上最大的反应堆中微子样本，能以足够的统计精度比较远近点的中微子能谱，测量振荡几率随能量的依赖关系，从而直接测量与theta13相关的质量平方差，同时进一步提高theta13精度。精确测量theta13，能帮助未来长基线中微子实验在测量CP相角时缩小参数空间。此外，精确测量反应堆中微子流强和能谱，能检验反应堆模型，对未来反应堆中微子实验有重要意义。.精确测量反应堆中微子能谱的关键，是理解探测器能量非线性、以及本底事例数和能谱。本项目主要内容和结果包括：1) 研究中心探测器能量响应，构建了完整的能量非线性模型，理解了液闪自身以及电子学对能量非线性的贡献、刻度源几何对能标刻度的影响，最终在反应堆中微子能区内的绝对能标误差<1%；2) 完成中微子数据分析，改进了9Li/8He本底、快中子本底、(alpha,n)本底分析方法，减小了本底谱形误差；3) 通过大量Monte Carlo Tuning，优化探测器模拟参数，提高了数据与模拟的符合程度，改进了绝对效率值以及探测器间的关联误差；4) 测量液闪荧光物质的荧光量子效率，理解吸收重发射过程，并构建了新光学模型，设计小实验基本验证了该模型，未来可用大亚湾数据检验。上述成果为大亚湾合作组theta13振荡谱分析（Phys. Rev. Lett. 112. 061801）、全探测器振荡分析（PhysRevLett.115.111802）、以及反应堆中微子流强和能谱测量（arXiv:1508.04233, PRL接收）这三篇物理成果做出了重要贡献。