大亚湾实验中微子混合角theta13的分析方法

The physics goal of Daya Bay reactor neutrino experiment is to measure sin^2(2theta13) to a precison of 0.01 at 90% C.L., which is the most precison in the world. Daya Bay experiment uses eight identical antineutrino detectors to measure the neutrino spectra. To combinded with the predicted netrino spectra and the systematic uncertainties, the value of theta13 and its uncertainty can be analysed using a chisquare method. This research program will study the method to analysis the theta13 result. The input for the analysis will be collected and a procedure for analysis will be established. The neutrino flux and the target mass of the detectors will be used as input to calculate the reaction rate in detector target. Using Geant4 simulation package, we can study the detection efficiency which is used to correct the predicted event number. Using the event number, we can do a rate only analysis for the theta13 measurement. The method has been validated, and our result is adopted in the first result of Daya Bay experiment on the theta13 measurement. We will study the the detector energy response to the neutrino events and the correction to the neutrino energy using Geant4 simulation. The result of the energy response will be used to study and produce the neutrino spectrum shape. Combining the event rate and shape information for theta13 analysis, a more precise theta13 result can be measured. The experiment systematic uncertainties will be collected and studied as the input to the theta13 analysis and it will determine the theta13 measurement precision. In the process three years' data taking, We will continue and finalize our research, which will provide the foundation for Daya Bay experiment's final theta13 analysis result.

大亚湾反应堆中微子实验的物理目标是精确测量中微子混合角sin^2(2theta13)至精度小于0.01，为国际上最精确结果。大亚湾实验将通过反中微子探测器测量反应堆中微子的能谱，同时计算预期中微子能谱，考虑实验的系统误差，分析出theta13的值及其置信区间。本项目将研究theta13的分析步骤和方法，利用反应堆流强和探测器靶质量等信息，研究中微子在探测器中反应的事例率计算。利用Geant4模拟软件包，对中微子事例进行模拟，确定探测器的探测效率，计算预期得到的事例数。通过研究探测器对中微子事例的能量响应，确定预期的中微子能谱形状，研究总结实验的系统误差，为theta13分析提供输入。大亚湾利用二个月的物理取数将在PRL发表第一篇重要文章，采用了本项目的theta13分析结果。在大亚湾三年取数过程中，项目将继续研究theta13的分析方法，为大亚湾实验最终的中微子振荡测量结果奠定基础。

在大亚湾中微子实验之前，中微子振荡混合参数角theta13是最后一个未知的混合角，它的大小对中微子物理的发展方向起着决定性的作用，国际上同时有另外两个反应堆中微子实验和两个加速器中微子实验也在测量theta13。本项目组成员均为大亚湾国际合作组成员，依托大亚湾中微子实验，研究了振荡参数theta13的分析方法。. 项目主要的研究内容和重要结果包括如下几个部分：1)利用核电站提供的反应堆数据计算了中微子流强，开发了Geant4模拟软件包，对中微子事例进行模拟，确定探测器的探测效率，计算了预期的中微子事例数；2）研究了探测器对中微子事例的能量响应，研究了预期的中微子能谱形状；3）研究了实验的系统误差，包括事例率的误差和能谱的误差；4）拟合了中微子振荡参数，最终得到了theta13的值确定了theta13非零，并且测量了中微子质量平方差。. 项目组的这些重要成果，大部分被大亚湾合作组采纳，作为合作组文章的正式结果，未被采纳的部分作为了正式结果的验证，为大亚湾实验的物理产出做出了重要贡献。这些成果有着重要的科学意义和国际影响力，体现在这些方面：首次以超过5倍标准偏差的置信度确认了theta13非零，并且以世界最高精度精确测量了这最后一个中微子混合角，首次测量了反应堆中微子的质量平方差，收集了世界上最大的反应堆中微子样本，精确的测量了中微子事例率和能谱，并且发现了与预期能谱不一致。