大亚湾反应堆中微子实验及其进展

张家文

中国科学院高能物理研究所

报告内容•科学意义与目标•研究内容与方案•目前状况与预研进展• 项目队伍、组织与管理•进度计划

测量 13 的物理意义1 ）是自然界的基本参数2）对理解轻子与夸克之间的关系，研究比目前的粒子物理标准模型更基本的大统一理论具有重要意义

3）对解释宇宙中物质 -反物质不对称极为重要• 如果 sin22 ，，，，，，，，，，，，， CP 相角。• 如果 sin22 ，下一代长基线实验不能测得 CP

相角。4 ）对中微子物理的未来提供了发展方向 是否要建中微子工厂或超级束流？

大亚湾与 Double Chooz 的比较

大亚湾中微子实验• 目前热功率共 12GW, 2011 年将增加到 18GW 。• 周围有山，便于建设地下实验室以屏蔽宇宙线本底是关键，

因为中微子产生的讯号十分微弱。• 测量 sin22 至 0.01 的精度，具有极为重要的意义• 大亚湾实验可以达到这个要求，是目前国际设计精度最高的

实验

实验方法 : 比较观测与预期的中微子能谱 过去实验的精度 : 3-6%

• 裂变元素及 能谱： ~ 2%

• 反应堆功率： ~1%

• 中微子能谱： ~0.3%

• 本底： ~1-3%

• 液闪中靶质量： ~1-2%

• 中微子探测效率： ~2-3%

用远点与近点间的相对测量来消除与反应堆有关的误差将充分屏蔽的探测器置于地下深处来消除本底误差用特殊设计的探测器及其在远近点间的相对测量来消除与探测器有关的误差

两个近点： DYB/LA一个中点： MID一个远点

隧道总长度： ~3000 m

实验安排

Baseline: 500mOverburden: 98mMuon rate: 0.9Hz/m2

1600m to LA, 1900m to DYBOverburden: 350mMuon rate: 0.04Hz/m2

Baseline: 360mOverburden: 97mMuon rate: 1.2Hz/m2

8% slope

0% slope

0% slope

0% slopeBaseline: ~1000mOverburden: 208m

nepe

10-40 keV

Neutrino energy:

Neutrino Event: coincidence in time, space and energy

epnnemMMTTE )(

实验方法 : 用液闪探测中微子

1.8 MeV: Threshold

，，

ors(0.1% Gd)

n + p d + (2.2 MeV)n + Gd Gd* + (8 MeV)

探测器设计：多模块与多重反符合

Redundancy is a key for the success of this

experiment

Other options are under investigation

建设内容• 隧道系统（在此不讲）• 中心探测器系统• 反符合系统• 读出电子学，触发与数据获取系统• 软件与物理分析系统• 机械系统

中心探测器系统• 圆柱型三层结构中心探测器 :

I. 靶 : 掺轧液闪（ r=1.6m,h=3.2m) ，，， : 普通液闪 (r=45cm,h=4.1m)III. 屏蔽层 : 矿物油 (r=45cm,h=5m)

• 每个模块 20 吨靶质量 , 总共 80 吨• 四周加光电倍增管读出中微子信号• 上下加光学反射层，节省 1/2 光电倍增管• 每个模块用 ~ 224 个 8”PMT• 分辨率： E /E = 5%@8MeV, s ~ 14 cm

I

IIIII

14%

(MeV)E E

Position resolution ~14cm

16 个有机玻璃罐设计：机械强度与结构光学性能使用要求与液闪的化学反应长期稳定性

制造成型方法精度 (<2mm)强度 / 壁厚 (<1cm)残余应力与液闪的化学反应粘接工艺清洁

Joint almost invisibleA 2m cylinder

八个不锈钢罐： 5m×5m

• 机械强度，几何尺寸，。。。

液体闪烁体• 数量： 160 吨掺钆液闪， 180 普通液闪， 400 吨矿物油• 要求 :

– 高的发光效率 (>50% antracene)– 长的衰减长度 (>10m)– 长期稳定性 (>5year)– 与有机玻璃不发生化学反应

• 过去的问题： 不稳定– Palo Verde : 55% antracene, 11m, 0.03%/day– Chooz: ~55% antracene, ~10m, 0.4%/day

• 高能所目前已取得的成绩 :– 自制了测量液闪发光效率及衰减长度的设备– 研究了清洁液闪的化学方法，特别是去除钍元素的办法– 寻找与测试了国产原材料，均能满足要求– 研制了多种满足前述要求的掺钆液闪

液闪及其原料的测量结果Sample Atten.

Len. (m)

Light

yield

2: 8 mesitylene: dodecane(LS) 15.0 -

LAB - -

PPO+ bis-MSB(Flour) in LS 11.3 0.459

0.2% Gd-EHA + Flour + LS 8.3 0.528

Flour + LAB 23.7 0.542

0.2%Gd-TMHA+Flour+LAB 19.1 0.478

Gd-loaded scintillator developed at IHEP

CH2 CnH2n-1

High light yield, very transparentHigh flash point 147oC, environmentally friendly Low cost

LAB

0.000

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0.010

0.011

0.012

0.013

10-15-04 12-14-04 02-12-05 04-13-05 06-12-05 08-11-05 10-10-05 12-09-05 02-07-06 04-08-06 06-07-06

Calendar Date

abs l

at 43

0 nm

1.2% Gd in PC

0.2% Gd in PC

0.2% Gd in 20%PC 80% Dodecane

0.2% Gd in LAB

0.2% Gd in 20%PC 80%LAB566 days

514 days

426 days

189 days

May 08, 2006

189 days

Stability of Gd-loaded scintillator developed at BNL

研究单位：高能所， BNL， JINR

批量生产• 液闪的配制

– 配方– 混合程序– 混合设备– 原料

• 液闪的处理– 放射性元素的去除– 灰尘的去除– 有害化学元素的去除

• 液闪的灌装– 清洁度的保证– 化学成分（一致性，杂质等）

的保证 (H/C, Gd/H,…)

– 体积与总重量的保证（ <0.1% ）

光电倍增管及其支撑结构

• 共需 ~ 1792 8” PMT• 极低本底无钾玻璃• EMI 或 Hamamatzu• 高稳定性信号与高压电缆• 指标 :

– 放大倍数 : > 5×106

– 线性 : > 500 P.E.

– 噪声 : < 5 KHz @ 15oC @ ¼ PE

– 放射性 : 238U, 232Th, 40K < 20-50 ppb

刻度与监测• 放射源刻度 : 能量标度 , 分辨率 , …

– 置入系统• 自动系统 : 快速但有限空间位置• 手动系统 : 所有空间位置但较慢

– 放射源的选择 : 能量 (0.5-8 MeV), 活度 (<1KHz), /n,…– 清洁

• 物理事例刻度– 中子俘获– 宇宙线

• LED刻度 : PMT gain, liquid transparency, …• 环境监测 : 温度 , 高压 , 电流电压 ,氡气…• 靶质量测量及高精度流量计• 材料的放射性测量与认证

水屏蔽与反符合探测器系统

• 用 2米以上的水屏蔽宇宙线造成的中子本底和岩石造成的 本底

• 反符合探测器的要求：– 效率 > 99.5%– 效率误差 < 0.25%

• 解决办法：两套探测器：– 水切伦科夫探测器 , Eff.>95%– Muon 探测器 , Eff. > 90%

• RPC• scintillator strips

– total ineff. = 10%*5% = 0.5%

Neutron background vs water shielding thickness

2m water

水切伦科夫探测器

• 水池 : – 为国际上多个中微子实验采用– 需 ~ 900 PMT

• 水箱 : – 为长基线中微子实验提出– 已完成模型实验– 需 ~1248 PMT

阻性板探测器 (RPC)

• 在水箱上部精确标记宇宙线事例

• 共三层 , 2640 m2

• 读出道 : ~ 21200道

• 高能所在 BESIII建设中自行研制了具有国际影 响的新工艺

光电倍增管读出电子学• 指标 :

– 电荷动态范围 : 0 ~ 500 p.e.

– 电荷分辨率 : 10% @1 p.e.

– 噪声 : < 0.1 p.e.

– 时间动态范围 : 0 ~ 500 ns

– 时间分辨率 : < 500ps

• 9U VME 规范• 16 道 / 读出板 , 中心探测去需 120 块板

From PMT

-5V

50Ω High speedAmp.

AD8132

10KΩ

10pF

10bit/40MSPSFlash ADC

FPGA

To VME bus

1K

1K

CH16

CH1

+-

1K

Energy sum to trigger module

AD8065

SUM

integrator

DAC

threshold

start

stop

`

CH2

Disc.

L1 Trigger (LVPECL)

TDC

Pipeline

40MHz Clock (LVPECL)

charge

time

DATABUFFER

L1

VMEinterface

Single channel macro in FPGA

X 16

Test input

+-

AD9215

RC=100ns

RC2+

-

RC=50ns

Single ended to diff.

10bit

CL

K

CL

KC

LK200ns width < 1µs width

resol.: 0.5ns

< 300ns width

10ns width

Amp.

S2D

10pF

50Ω

Readout Module(VME )

Energy sum

PMT200

Readout Module(VME )

PMT1

PMT16

Central Trigger(VME)

Energy sum

Clock, Trigger,

Check,etc

Fast hit info

Fast hit info

1:16 Fanout

Clock, Trigger,

Check,etc

Clock, Trigger,

Check,etc

RPC 读出电子学

• 在 BESIII 实验中采用• 技术先进 , 造价低廉• 指标 :

– 位置信息 (hit)

触发系统• 每个探测器模块一个独立触发

– 中心探测器共 8 块触发板– 水切伦科夫探测器 3 块触发板– 水箱切伦科夫探测器 3 块触发板– RPC 3 块触发板

• 每块触发板 :– 能量– 多重数– 时间标记

• 时钟分布系统

数据获取系统• 三个相对独立系统• 一个中央控制系统• 大量借用 BESIII技术与成果• 事例率 : > 1KHz

数字地形图：研究宇宙线本底及实验大厅选址

本底及其误差• 非关联误差 : U/Th/K/Rn/neutron

单 gamma 记数率 @ 0.9MeV < 50Hz 单中子记数率 < 1000/day 2m water + 45 cm oil shielding

• 宇宙线造成的关联误差 : n E0.75

中子 : >100 MWE + 2m water

Y.F. Wang et al., PRD64(2001)0013012

8He/9Li: > 250 MWE(near)， >1000 MWE(far)

T. Hagner et al., Astroparticle. Phys. 14(2000) 33

Near far

Neutrino signal rate(1/day) 560 80

Natural backgrounds(Hz) 45.3 45.3

Single neutron(1/day) 24 2

Accidental BK/signal 0.04% 0.02%

Correlated fast neutron Bk/signal 0.14% 0.08%8He+9Li BK/signal 0.5% 0.2%

系统误差Chooz Palo Verde KamLAN

DDaya Bay

Reactor power 0.7 0.7 2.05 <0.13%

Reactor fuel/spectra 2.0 2.0 2.7

cross section 0.3 0.2 0.2 0

No. of protons H/C ratio 0.8 0.8 1.7 0.2 0

Mass - - 2.1 0.2 0

Efficiency Energy cuts 0.89 2.1 0.26 0.2

Position cuts 0.32 3.5 0

Time cuts 0.4 0. 0.1

P/Gd ratio 1.0 - 0.1 0

n multiplicity 0.5 - <0.1

background correlated 0.3 3.3 1.8 0.2

uncorrelated 0.3 1.8 0.1 <0.1

Trigger 0 2.9 0 <0.1

livetime 0 0.2 0.2 0.03

基线优化及 Sin2213 灵敏度

• 反应堆关联误差 : c ~ 2% • 反应堆非关联误差 : r ~ 1-2%• 中微子能谱误差 : shape ~ 2%• 探测器关联误差 : D ~ 1-2%• 探测器非关联误差 : d ~ 0.5%• 本底误差 :

– 宇宙线产生的快中子 : f ~ 100%, – 随机符合 : n ~ 100%, – 宇宙线产生的 8Li, 9He, … : s ~ 50%

• Bin-to-bin 误差 : b2b ~ 0.5%

2

22 2

1 1,3

2 2 22 2 2

2 2 2 2 2 21 1,3

(1 )

min

rAA A A A Aii i D c d i r iANbin

r iA A As

i A i i b i

A ANbinc i dD r

r i AD c r shape d B

TM T c b B

T

T T B

c b

此公式自动考虑了远近点相对测量及探测器远近点交换造成的误差抵消

大亚湾实验测量 Sin2213 的灵敏度

大亚湾实验的其它物理目标

• 首次测量 M213

• 测量超新星中微子• 寻找不活跃的中微子

大亚湾中微子实验可作为我国中微子物理研究的起点

已开展的预研：• 实验大厅选址与勘探• 掺钆液体闪烁体的纯化，过滤与配制• 有机玻璃罐研制• 光电倍增管测试• 小模型研制• 电子学读出系统研制• 刻度方法研究

探测器模型研制

137Cs spectrum

Response at different locations

0.6

62

M

eV

1.0

22

M

eV

1.1

73

M

eV

1.2

75

M

eV

1.3

32

M

eV

2.2

95

M

eV

2.5

05

M

eV

linearity

Resolution: 8.5%/E

项目队伍，组织与管理

国内队伍• 高能物理研究所

– 总体设计，隧道建设，探测器建造，读出电子学与数据获取，物理软件，安装调试

• 中国原子能研究院– 刻度系统

• 清华大学– 触发

• 北京师范大学– 光电倍增管测试

• 深圳大学– 材料放射性测试

• 中山大学– 光电倍增管测试

• 南开大学– 刻度系统

国内还有其它单位可能参加，特别是中国广东核电集团作为大亚湾核电站群的业主，将正式参加本实验，对隧道建设，探测器建造，和反应堆物理分析将作出重要贡献。

中广核合作• 中国科学院与中国广东核电集团有限公司９月

２９日在北京签署科技合作框架协议。双方将建立长期战略合作关系，为全面开展科技合作搭建基础平台，以共同推进我国核能先进技术、核物理、高能物理等领域科技创新事业的发展。

• 10月 13 日，高能所大亚湾反应堆中微子实验工程指挥部成员王贻芳等一行五人访问中国广东核电集团，双方对大亚湾反应堆中微子实验项目的合作进行了多方面的细致讨论，就建立联合办公室、建设地面实验站和实验用地问题等具体合作事宜达成了一致意见。

组织管理• 高能所已成立大亚湾工程指挥部• 各系统骨干人员• 按国际惯例组成合作组，制定了章程• 组成了合作组委员会• 选举了七人执行委员会• 选举了发言人• 建立了工作小组• 初步讨论了各方的任务分工

North America (9)

LBNL, BNL, Caltech, UCLA

Univ. of Houston,Univ. of Iowa

Univ. of Wisconsin, IIT,

Univ. of Illinois-Urbana-champagne

Asia (12)IHEP, CIAE,Tsinghua Univ.

Zhongshan Univ.,Nankai Univ.Beijing Normal Univ.,

Shenzhen Univ., Hong Kong Univ.Chinese Hong Kong Univ.

Taiwan Univ., Chiao Tung Univ.,National United Univ.

Europe (3)

JINR, Dubna, Russia

Kurchatov Institute, Russia

Charles university, Czech

Daya Bay collaboration

The Daya Bay CollaborationX. Guo, N. Wang, R. WangBeijing Normal University, Beijing 100875L. Hou, B. Xing, Z. ZhouChina Institute of Atomic Energy, Beijing 102413J. Cao, H. Chen, J. Fu, J. Li, X. Li, Y. Lu, Y. Ma, X. Meng, R. Wang, Y. Wang, Z. Wang, Z. Xing, C. Yang, Z. Yao, J. Zhang, Z. Zhang, H. Zhuang, M. Guan, J. Liu, H. Lu, Y. Sun, Z. Wang, L. Wen, L. Zhan, W. ZhongInstitute of High Energy Physics, Beijing 100039Z. Li, C. ZhouZhongshan University, Guangzhou 510275X.Q. Li, Y.Xu, S. FangNankai University, Tianjin 300071Y. Chen, H. Niu, L. NiuShenzhen University, Shenzhen 518060S. Chen, G. Gong, B. Shao, M. Zhong, H. Gong, L. Liang, T. XueTsinghua University, Beijing 100084M.C. Chu, W.K. NgaiChinese University of Hong Kong, Hong KongK.S. Cheng, J.K.C. Leung, C.S.J. Pun, T. Kwok, R.H.M. Tsang, H.H.C. WongUniversity of Hong Kong, Hong KongB.Y. HsiungNational Taiwan University, TaipeiG.L. Lin,F.S. Lee, Y.S. YehNational Chaotung University, HsinchuC.H. WangNational United University, Hsinchu

Yu. Gornushkin, R. Leitner, I. Nemchenok, A. OlchevskiJoint Institute of Nuclear Research, Dubna, Russia

V.N. VyrodovKurchatov Institute, Moscow, RussiaZ. Dolezal, R. Leitner, V. Pec, V. VorobelCharles University, the Czech republic

M. Bishai, M. Diwan, D. Jaffe, J. Frank, R.L. Hahn, S. Kettell, L. Littenberg, K. Li, B. Viren, M. YehBrookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973-5000, USA

R.D. McKeown, C. Mauger, C. JillingsCalifornia Institute of Technology, Pasadena, CA 91125, USA

K. Whisnant, B.L. Young Iowa State University, Ames, Iowa 50011, USA

W.R. Edwards, K.B. LukUniversity of California and Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA

V. Ghazikhanian, H.Z. Huang, S. Trentalange, C. Whitten Jr.University of California, Los Angeles, CA 90095, USA

M. Ispiryan, K. Lau, B.W. Mayes, L. Pinsky, G. Xu, L. LebanowskiUniversity of Houston, Houston, Texas 77204, USA

J.C. PengUniversity of Illinois, Urbana-Champaign, Illinois 61801, USAW. Luebke, C. WhiteIllinois Institute of TechnologyK. HeegerUniversity of Wisconsin, Madison, USA

 

            

实验监管机构 (LOG)H.S. Chen, S. Aronson, J. Segrist

 

中方项目经理及管理办公室

 

美方项目经理及管理办公室

发言人与合作执行委员会

项目顾问团 (PAP)

美国能源部 中国政府部门 其它

 国际资金委员会 (IFC)

 

进度计划

标识号项目名称

1 隧道及实验室建设（高能所 张浩云）2 概念设计任务书3 项目批准4 美国 DOE 批准 CD-2

5 概念设计评审6 工程设计7 工程设计评审与施工招标8 选择施工单位与签定合同9 报批手续10 隧道及实验室建设11 设备移动与准备12 地面实验室建设13 施工隧道建设14 大亚近点及中点隧道建设(500m)

15 入口隧道建设（290m)

16 大亚近点及中点大厅建设17 大亚近点及中点设备安装18 大亚近点及中点探测器开始安装19 岭澳近点与远点隧道建设20 岭澳近点大厅建设21 远点大厅建设

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 12006 2007 2008 2009 2010 2011

标识号项目名称

22 岭澳近点与远点设备安装23 岭澳近点与远点探测器开始安装24 中心探测器(高能所张家文,BNL S.Kettle)

25 初步设计26 有机玻璃桶及其支撑结构(台湾 熊怡）27 初步设计28 工程设计，厂家选择29 制造30 运输，组装，清洁，测试31 不锈钢桶及其支撑结构(高能所唐晓)

32 不锈钢桶及光电倍增管支撑结构设计33 工程设计34 制造35 运输，组装，清洁，测试36 ( )光电倍增管及其高压电源与电缆 美国？37 光电倍增管选型38 高压电源选型与测试39 电缆选型与测试40 订购光电倍增管及其高压电源与电缆41 光电倍增管到达与测试42 光电倍增管运输到中国，再测试43 高压电源与电缆运到中国44 光电倍增管，高压电源，电缆的测试

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 12006 2007 2008 2009 2010 2011

标识号项目名称

45 液体闪烁体(高能所张智勇，BNL R.Hahn)

46 液体闪烁体研究（化学与物理性质）47 液闪定型及稳定性测试48 混制与净化设备研制49 小批量生产测试50 混制与净化设备定型，厂家选择，制造51 大批量生产52 读出电子学（高能所 王铮）53 读出电子学设计54 小模型测试55 工程设计56 批量生产57 探测器设计评审58 安装（高能所庄红林，LBL W.Edwards)

59 大亚近点及中点60 清洁钢桶，PMT及其支撑系统，电缆61 安装PMT至支撑系统62 清洁有机玻璃桶等63 安装有机玻璃桶至钢桶64 移动探测器至地下实验大厅65 系统测试66 岭澳近点及远点67 清洁钢桶，PMT及其支撑系统，电缆

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 12006 2007 2008 2009 2010 2011

标识号项目名称

68 安装PMT至支撑系统69 清洁有机玻璃桶等70 安装有机玻璃桶至钢桶71 移动探测器至地下实验大厅72 系统测试73 反符合探测器(BNL L.Littenberg,

高能所杨长根)

74 初步设计75 小模型测试76 系统测试77 完成工程设计，准备建造78 反符合探测器部件制造（大亚近点及中点）79 运输各部件至中国80 组装大亚近点及中点反符合探测器81 系统测试（大亚近点及中点）82 大亚近点及中点可以开始取数83 反符合探测器部件制造（岭澳近点及远点）84 运输各部件至中国85 组装岭澳近点与远点反符合探测器86 系统测试（岭澳近点与远点）87 岭澳近点与远点可以开始取数88 触发,数据获取与计算系统(高能所李小南)

89 系统设计

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 12006 2007 2008 2009 2010 2011

标识号项目名称

90 模型测试91 完成硬件设计92 批量生产或订货93 测试与试运行94 刻度系统(Caltech B. Makeown)

95 系统设计96 放射源制造97 137Cs, 22Na, 54Mn, 65Zn, 238Pu-13C**

98 252Cf

99 放射源植入系统100 设计101 制造102 测试103 组装104 系统测试105 调整

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 12006 2007 2008 2009 2010 2011

小结• 测量 Sin2213 至 0.01 精度具有十分重要的

物理意义，要求用反应堆中微子实验来测量 。

• 大亚湾核电站是这类实验的理想场所，这是中国基础科学发展的一个难得机遇。

• 初步研究发现没有不可克服的技术困难，国内的工业界有能力完成主要任务。

• 初步设计已经基本完成，工程设计已经开始。

谢谢！

Current Knowledge of 13

Global fitfogli etal., hep-ph/0506083

Sin2(213) < 0.09

Sin2(213) < 0.18

Direct search PRD 62, 072002

Allowed region

•目前实验认为 sin2213 < 0.09

•没有理由认为 sin2213 = 0 ，因为这要求新的物理对称性来保证

•大多数理论模型预言 sin2213 ~ 0.1-10 %

发现 sin2213 =0 比测得sin2213还要重要

Sin2213 对任何大统一理论均有强烈的限制

实验精度达到 ~ 1% 极为重要

model prediction of sin2213

Experimentally allowedat 3 level

Currently Proposed sites/experiments

Site

(proposal)

Power

(GW)

Baseline

Near/Far (m)

Detector

Near/Far(t)

Overburden

Near/Far (MWE)

Sensitivity

(90%CL)

Starting time

Braidwood (US)

6.5 270/1510 265/ 265

464/464 ~ 0.008 -

Chooz-II (France)

8.7 150/1067 10/10 60/300 ~ 0.03 2008 f

2009 n+f

Daya Bay (China)

11.6 360//500/

1800

40//40/80 260/260/910 ~ 0.008 2010

Kaska

(Japan)

24.3 350/1600 6/6/2 6 90/90/260 ~ 0.02 2009/

2010

Reno

(S. Korea)

17.3 150/1500 20/20 230/675 ~ 0.03 2009/

2010

大亚湾与加速器实验的比较

Detector dimension

Target mass: 20 tDimension of target: 3.2 m ×3.2m

Catcher thickness

Isotopes Purity(ppb)

20cm(Hz)

25cm (Hz)

30cm(Hz)

40cm(Hz)

238U(>1MeV) 50 2.7 2.0 1.4 0.8232Th(>1MeV)

50 1.2 0.9 0.7 0.4

40K(>1MeV) 10 1.8 1.3 0.9 0.5

Total 5.7 4.2 3.0 1.7

Oil buffer thickness

Why three zones ?• Three zones:

– Complicated acrylic tank construction

– backgrounds on walls

– Less fiducial volume

• Two zones:– Neutrino energy spectrum distorted

– Neutron efficiency error due to energy scale and resolution: two zones: 0.4%, three zones 0.2%

– Using 4 MeV cut can reduce the error by a factor of two, but backgrounds from do not allow us to do so

2 zone 3 zone

cutcut

Capture on GdCapture on H

Vessel boundary

Reactor-related Uncertainties of Daya Bay

# Reactor

Cores

Syst. error due to

Power Fluctuations

Syst. error due to

Core Positions

Total

syst. error

4 0.035% 0.08% 0.087%

6 0.097% 0.08% 0.126%

Based on experience of past experiments, due to uncertainty in measuring the amount of thermal power produced, the uncorrelated error per reactor core p 2%.

frF and fr

N are fractions of the events at the far and near site from reactor r respectively.

sys p fFr fN

r 2

r

• The error due to power fluctuations of the reactors is given by:

Energy Cuts

3 zone

Cut, error ~0.2%

Cut, error~0.05%

Dominated by energy scaleKamLAND ~ 1%

Time CutsNeutron time window uncertainty:

t = 10 ns 0.03% uncertainty Use common clock

， Baseline = 0.1%， Goal = 0.03%

1.5% Loss

0.15% Loss

Livetime

• Measure relative livetimes using accurate common clock

• Use LED to simulate neutrino events

• Should be negligible error

Target VolumeCan be cancelled by swapping

• KamLAND: ~1%• CHOOZ: 0.02%?

• Flowmeters – 0.02% repeatability

， Baseline = 0.2%， Goal = 0.02%

H/C and H/Gd ratioCan be cancelled by swapping

• H/C ratio– CHOOZ claims 0.8% absolute based on multiple lab

analyses (combustion)

– Use well defined liquid such as LAB and dodecane– R&D: measure via NMR or neutron capture

– Expected error: 0.1%-0.2%

• H/Gd ratio– Can be measured by neutron activated x-rays and neutron

capture time

– For t = 0.5 s, error ~ 0.02%

Cosmic-muons at the laboratory

~350 m

~97 m~98 m~210 m

DYB LA Mid Far

Elevation (m) 97 98 208 347

Flux (Hz/m2) 1.2 0.73 0.17 0.045

Energy (GeV) 55 60 97 136

• Apply modified Gaisser parametrization for cosmic-ray flux at surface

• Use MUSIC and mountain profile to estimate muon flux & energy

Fast neutron spectrum from MC

Precision to determine the 9Li background in situ

Spectrum of accidental background