粒子物理作业记录本

作业

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大亚湾中微子实验的目标是将$sin^22θ_{13}$测量到$0.01$或更高的精度.

中微子震荡

中微子振荡的原因是三种中微子的质量本征态与弱作用本征态之间存在混合。中微子的产生和探测都是通过弱相互作用，而传播则由质量本征态决定。由于存在混合，产生时的弱作用本征态不是质量本征态，而是三种质量本征态的叠加。三种质量本征态按不同的物质波频率传播，因此在不同的距离上观察中微子，会呈现出不同的弱作用本征态成分。当用弱作用去探测中微子时，就会看到不同的中微子。
中微子的混合规律由六个参数决定（另外还有两个与振荡无关的相位角），包括
三个混合角

$$\theta_{12}\theta_{23}\theta_{13}$$ ，
两个质量平方差 $$\Delta m^2_{21}\Delta m^2_{32}$$
以及一个电荷宇称相位角 $$\delta_{CP}$$ 。
通过大气中微子振荡测得了$\theta_{23}与\Delta m^2_{32}$
通过太阳中微子振荡测得了 $$\theta_{12}与\Delta m^2_{21}$$

在混合矩阵中，只有下面的两个参数还没有被测量到：最小的混合角$\theta_{13}$、CP破缺的相位角$\delta_{CP}$。目前测得的$\theta_{13}$的实验上限是：$sin^22θ_{13}<0.17$
(在$\Delta m^2_{31}=2.5×10^{-3}eV^2$下，由法国的CHOOZ反应堆中微子实验给出。这个试验装置上证实了反应堆中微子与大气中微子的震荡模式不同）

测量原理

反$\beta$衰变反应:

$$\bar{\nu}_e+p\rightarrow n+e^+$$

反应堆探测原理

实验利用电子反中微子在大型液体闪烁体探测器中的反$\beta$衰变反应来测量反应堆中微子。比较远近探测器测得的中微子通量和能谱，就可以知道中微子是否发生了振荡，进而确定振荡参数$θ_{13}$。如果存在中微子振荡，在远探测器看到的中微子通量将比预期要少；同时，由于不同能量的中微子振荡几率不一样，测得的能谱将发生有规律的变形。反$\beta$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。中微子的能量几乎全由正电子带走，在液体闪烁体内有$1MeV～8MeV$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$8MeV$的能量，比正电子信号平均慢$30 \mu s$。正电子信号与中子信号在能量与时间上的符合可以干净地辨认出中微子与其它本底。其间最严重的本底干扰来自于宇宙线，因此需要尽量将探测器置于较深的地下。

反应堆探测的优势

$\theta_{13}$可以通过反应堆中微子实验或长基线加速器中微子实验来测量。在长基线中微子实验中，中微子振荡几率跟$\theta_{13}$、CP相角$\delta_{CP}$、物质效应、以及\Delta m^2_{32}的符号有关，仅由一个观测量实际上无法同时确定它们的大小。而反应堆中微子振荡只跟$\theta_{13}$相关，可以干净地确定它的大小，实验的周期与造价也远小于长基线中微子实验。
大亚湾实验的结果

$$sin^22\theta_{13} = 0.092\pm 0.017$$
由江门中微子实验(JUNO)剩下的参数中 $$\Delta m_{ij}$$

最近的研究

Hint at existence of fourth neutrino.

Wikipedia: Sterile Neutrino

• If a nuclear reactor produces a beam of just one type of neutrino, theory predicts that some should change their identity as they travel to a far-off detector
• Analyzing more than 300,000 electron antineutrinos (the antimatter counterpart of the electron neutrino) collected from the Daya Bay nuclear reactors during 217 days of operation, Daya Bay's measurement of antineutrino flux—the total number of antineutrinos emitted across the entire energy range—indicates that the reactors are producing 6 percent fewer antineutrinos overall when compared to some of the model-based predictions.
  
  • One explanation for the deficit is that some of the electron antineutrinos have transformed into an undetectable, lightweight sterile neutrino, about one-millionth the mass of an electron. Another Examples：
    
    • the Liquid Scintillator Neutrino Detector(Los Alamos National Laboratory) in New Mexico from 1993 to 1998.
    • called MiniBooNE, at Fermilab, ran from 2002 to 2012
  • a second strange feature — an excess of electron antineutrinos (compared with theoretical predictions) at an energy(~5MeV). That could be a sign of completely new physics awaiting discovery (or simply that scientists don't have a detailed enough grasp of the output of nuclear reactors).
• Impacts:
  
  • If a light sterile neutrino exists, it might have siblings about 1,000 times heavier which could contribute to the as-yet-unidentified dark matter.
  • Sterile neutrinos, more than a $10^{12}$ times heavier than the electron, could explain an ever bigger cosmic mystery — the mismatch between the amounts of matter and antimatter in the cosmos.

参考

(1): 中国科学院高能物理研究所
(2): Daya Bay(大亚湾)
(3): Reactor data hint at existence of fourth neutrino