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Background Study and Prototype Testing
of the Daya Bay Experiment
Liu Jinchang
In Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Doctor of Philosophy
Graduate School of Chinese Academy of Sciences
Beijing, China
2006
( Submitted in October 2008 )
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Abstract
Neutrino physics is the frontier of particle physics, astrophysics and cosmology. Theneutrino mixing angle θ13 is one of the fundamental parameters of the neutrino physics. Themagnitude of θ13 will decide the future direction of the neutrino physics. The Daya Bay neutrinoexperiment is proposed to measure the parameter θ13 precisely using the reactor power plantgroup at Daya Bay, which is located in Shenzhen, Guangdong Province. To reach the sensitivityof 0.01, one has to study the backgrounds of the experiment in details, to optimize the designof the detector, to manufacture the prototype of the detector, and to test its performance. Thisthesis is a part of prophase studies for this experiment.
The background of the Daya Bay neutrino experimnet is studied. According to the detectordesign, background simulation has been done to show that the background from the vicinityradioactivity and the cosmic-ray induced neutrons contributes about 0.1% of the background-to-signal ratio. We had simple simulated the major background in the experiment which arefrom the cosmic-ray induced isotopes.
The performance of the prototype for the antineutrino detector has been constructedand tested. The measurement with radioactive sources shows that the prototype gives 295pe(photon electrons) of the energy response and 8.4% of energy resolution for 1MeV gamma raywhen the gamma ray source is at the center of the detector. The full detector Monte Carlosimulation is in a good agreement with the experiment data.
Key words: neutrino; Daya Bay reactor neutrino experiment; background simulation; neu-
tron source; energy response; energy resolution.
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β
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(
L
E
)]
+2∑
i>j
Im(U∗αiUβiUαjU
∗βj)sin
[
2.54 △ m2ij
(
L
E
)]
( 1.7)
ªªª¥¥¥§§§△m2ij ≡ m2
i − m2j§§§üüü ´eV 2§§§L���üüü ´km§§§E���üüü ´GeV§§§~~~êêê1.27555
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P (να → νβ) = P (νβ → να) ( 1.8)
,,,������¡¡¡§§§lll���§§§1.7¥¥¥������µµµ
P (νβ → να, U) = P (να → νβ , U∗) ( 1.9)
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P (να → νβ, U) = P (να → νβ , U∗) ( 1.10)
ùùù���'''XXX`²²²§§§333···ÜÜÜÝÝÝU���ÙÙÙEEE���ÝÝÝ���§§§���¥¥¥���fff���������AAAÇÇÇ���¥¥¥���fff���������
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0 c23 s23
0 −s23 c23
c13 0 s13e−iδ
0 1 0
−s13eiδ 0 c13
c12 s12 0
−s12 c12 0
0 0 1
×
eiφ1 0 0
0 eiφ2 0
0 0 1
( 1.11)
=
c12c13 s12c13 s13e−iδ
−s12c23 − c12s23s13eiδ c12c23 − s12s23s13e
iδ s23c13
s12s23 − c12c23s13eiδ −c12s23 − s12c23s13e
iδ c23c13
eiφ1 0 0
0 eiφ2 0
0 0 1
( 1.12)
ªªª¥¥¥§§§sij = sin θij , cij = cos θij , (i, j = 1, 2, 3)"""UUUìììùùù«««ëëëêêêzzz������¥¥¥���fff···ÜÜÜÝÝÝ
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2. CP»»»������AAAdddJarlskogØØØCCCþþþLLL««« [17]"""lllUÝÝÝ���ooo���555������§§§333nnn«««������¥¥¥
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CCCþþþ½½½ÂÂÂ���µµµ
JCP = s12c12s23c23s13c213 sin δ ( 1.13)
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AAA¥¥¥���fff������¢¢¢������ÿÿÿþþþþþþkkkXXXeee'''XXXµµµ
∆m221 = ∆m2
solar,
∆m232 = ∆m2
atom,
θ12 = θsolar,
θ23 = θatom,
θ13 = θreactor. ( 1.14)
ªªª¥¥¥���solar���LLL������¥¥¥���fff¢¢¢���§§§atom���LLL���ííí¥¥¥���fff¢¢¢���§§§reactor���LLL���AAA
ææ楥¥���fff¢¢¢���"""���ccc���������¥¥¥���fff¢¢¢���ÿÿÿþþþ°°°ÝÝÝ���ppp���(((JJJ555gggKamLandÚÚÚSNOüüü
���¢¢¢���||| [18] [19]§§§%%%CCC������ZZZ¢¢¢���(((JJJXXXeeeµµµ
∆m221 = 8.0+0.4
−0.3 × 10−5 eV 2,
sin2(2θ12) = 0.86+0.03−0.04 ( 1.15)
���ccc������ííí¥¥¥���fff¢¢¢������°°°(((���ÿÿÿþþþ(((JJJ555gggK2KÚÚÚSuper-Küüü���¢¢¢���||| [18]
[20]§§§%%%CCC������ZZZ¢¢¢���(((JJJXXXeeeµµµ
| ∆m232 | = (1.9 − 3.0) × 10−3 eV 2,
sin2(2θ23) > 0.92 (90% Confidence Level) ( 1.16)
���ccc������AAAææ楥¥���fff¢¢¢���ÿÿÿþþþ°°°ÝÝÝ���ppp���(((JJJ555gggCHOOZÚÚÚPalo Verdeüüü���¢¢¢
���||| [18] [21]§§§%%%CCC������ZZZ¢¢¢���(((JJJXXXeeeµµµ
sin2(2θ13) < 0.13 (90% Confidence Level) ( 1.17)
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∆m221 + ∆m2
32 + ∆m213 = 0 ( 1.18)
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∆m212, ∆m2
32, sin2(θ12), sin2(θ23), sin2(θ13), δ ( 1.19)
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32 |, sin2(θ12), sin2(θ23)"""
���kkküüü������ëëëêêêkkk���ÿÿÿþþþ§§§§§§���´µµµ
sign of | ∆m232 |, sin2(θ13), δ ( 1.20)
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12
| ∆m232 |
∼ 10−2 ( 1.21)
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| ∆m232 | ≈ | ∆m2
31 | ( 1.22)
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∆m2L
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P (να → νβ) = sin2 2θ sin2[1.27∆m2L/E] ( 1.24)
���β 6= α���§§§ÚÚÚ
P (να → να) = 1 − sin2 2θ sin2[1.27∆m2L/E] ( 1.25)
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P (νµ → ντ ) = sin2 2θ23 cos4 θ13 sin2[1.27∆m232L/E] ( 1.26)
P (νµ → νe) = sin2 2θ13 sin2 θ12 sin2[1.27∆m232L/E] ( 1.27)
ddduuuθ13ééé���§§§éééuuuνµ → ντ���¥¥¥���fff���)))¢¢¢���§§§���±±±ÿÿÿþþþ������«««¥¥¥���fff···ÜÜÜ������
AAA""" νµ → νe���������LLL§§§���±±±ÿÿÿþþþθ13ÚÚÚCP������§§§���������������AAAÇÇÇ���µµµ
P (νµ → νe) = sin2 2θ13 sin2 θ23 sin2[1.27∆m232L/E]
+ sin2 2θ13 cos2 θ23 sin2[1.27∆m221L/E]
−(+)J sin(δ) sin[1.27∆m232L/E]
10 111 1ÙÙÙ ¥¥¥���fffÚÚÚ¥¥¥���fff¢¢¢���VVVããã
Parameter (BGP [23]) Best fit 2σ interval 3σ interval
∆m221 (10−5 eV2) 7.1 6.2–8.2 5.5–9.7
∆m232 (10−3 eV2) 2.6 1.8–3.3 1.4–3.7
tan2 θ12 0.42 0.34–0.54 0.30–0.63
tan2 θ23 1.0 0.61–1.7 0.45–2.3
sin2 θ13 (sin2 2θ13) 0.009 (0.036) ≤ 0.036 ≤ 0.053
Parameter (MSTV [24]) Best fit 2σ interval 3σ interval
∆m221 (10−5 eV2) 6.9 6.0–8.4 5.4–9.5
∆m231 (10−3 eV2) 2.6 1.8–3.3 1.4–3.7
sin2 θ12 0.30 0.25–0.36 0.23–0.39
sin2 θ23 0.52 0.36–0.67 0.31–0.72
sin2 θ13 (sin2 2θ13) 0.006 (0.024) ≤ 0.035 ≤ 0.054
LLL 1.1: nnn���¥¥¥���fff···ÜÜÜ^���eee§§§2σ (95% C.L.) ***3σ (99.7% C.L.)§§§¥¥¥���fff������ëëëêêê������ZZZ[[[ÜÜÜ��� [15]"""
+J cos(δ) cos[1.27∆m232L/E] ( 1.28)
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P (νe → νe) = 1 − cos4 θ13 sin2 2θ12 sin2[1.27∆m221L/E]
− sin2 2θ13 sin2[1.27∆m232L/E] ( 1.29)
���ÀÀÀ���ÜÜÜ···���ÄÄÄ������ÝÝÝ£££&&&ÿÿÿìììÚÚÚ���AAAæææ���ååålllL < 5km¤¤¤���§§§þþþªªª¥¥¥���111���������
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=(Mn + me)
2 − M2p
2Mp= 1.806MeV ( 1.31)
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Evis ≈ Eνe − 0.8MeV ( 1.32)
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νx + e− → νx + e− ( 1.33)
νe + d → e− + p + p ( 1.34)
νx + d → e− + p + n ( 1.35)
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νe + 37Cl → e− + 37Ar (threshold 814KeV ) ( 1.36)
νe + 71Ga → e− + 71Ge (threshold 233KeV ) ( 1.37)
12 111 1ÙÙÙ ¥¥¥���fffÚÚÚ¥¥¥���fff¢¢¢���VVVããã
ÄÄÄuuu±±±þþþüüü������AAA���§§§ªªª���¢¢¢������±±±ÿÿÿþþþ������¥¥¥���fff"""¢¢¢���¥¥¥¦¦¦^¹¹¹kkk37Cl���ÔÔÔ���
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102
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104
105
Distance to Reactor (m)
ILL Savannah River Bugey Rovno Goesgen Krasnoyarsk Palo Verde Chooz
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ts
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500
1000
1500
2000
2500
3000
@ far site @ midle site @ DaYa near site @ LingAo near site
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3. ������ µfff���)))���111ØØØ���^(photonuclear reaction)LLL§§§¶¶¶
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dN
dEn= A
(
e−7En
En+ (0.52 − 0.58e−0.0099Eµ)e−2En
)
( 3.3)
34 111 3ÙÙÙ ���æææ������AAAææ楥¥���fff¢¢¢���������...���[[[
dN
d cos θ=
A
(1 − cos θ)0.6 + 0.699E−0.136µ
( 3.4)
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^ΛdecayLLL«««333ÔÔÔ���¥¥¥uuu)))PPPCCCLLL§§§������AAAÇÇǧ§§Λtotal´���KKK>>>ÖÖÖ��� µfff333ÔÔÔ���¥¥¥uuu)))
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Λtotal = Λcapture + Λdecay ( 3.5)
Λdecay = Qτ−1µ+ ( 3.6)
Λ−1total = τµ− < τµ+ = 2.19703µs ( 3.7)
ªªª¥¥¥§§§Q ≤ 1´¿¿¿ÅÅÅXXXêêê [75](Huff factor)"""¿¿¿ÅÅÅXXXêê꣣£ãããXXXeee���AAAµµµKKK µfffåååPPP333���
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KKK µfff���uuu)))������AAAµµµ
µ− + p → νµ + n ( 3.8)
µ− +12 C → νµ +12 B∗ ( 3.9)
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C 2026.3 0.388 × 105 7.85 1
H 2194.9 0.420 × 103 0.11 1
O 1795.4 1.026 × 105 18.43 0.98
Fe 201 45.30 × 105 91.08 1.12
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n +12 C → 13C + γ (4.95MeV ) ( 4.4)
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n +155 Gd → 156Gd∗
156Gd∗ → 156Gd + n + nγ ( 8.5MeV (total)) ( 4.5)
n +157 Gd → 158Gd∗
158Gd∗ → 158Gd + n + nγ ( 7.96MeV (total)) ( 4.6)
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Total photon electrons detected210
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310
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17.931λ
c1 6046
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( 4.28)
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fitdelay(x) = fitdelay−bkg(x) + fitdelay−2.225MeV (x) + fitdelay−8MeV (x) ( 4.29)
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