中微子

1中微子探测组员：赵双文李皓云张乐2中微子的发现中微子的性质中微子的探测原理中微子探测技术中微子实验3中微子的发现中微子这种新粒子在1930年就由物理学家泡利提出，而第一个验证中微子存在的实验却得到1956年才完成。中微子探测的难度极大，因为它和其它物质发生反应的几率极小。在中微子提出后的二十多年里，美国兴建了多个核反应堆。包括我国物理学家王淦昌在内的一些物理学家意识到，核反应堆附近每秒每平方英寸有300万亿个反电子型中微子，如果探测器足够大，是有可能从这么多中微子里探测到信号的。1956年，这项实验由美国物理学家费雷德里克·莱茵斯和克莱德·科万完成。他们选用氢核（质子）作为靶，通过探测中微子与质子的反应，直接证实了中微子的存在。莱茵斯因此于1995年获得了诺贝尔奖。下图所示内容为，两位科学家宣布发现中微子的电报。4中微子的性质•不带电，质量极小•与其他物质的相互作用十分微弱•自然界广泛存在•三种类型：电子中微子、μ中微子和τ中微子探测面临的难题•它的质量尚未直接测到且大小未知•中微子与它的反粒子是否为同一种粒子也不得而知•中微子振荡还有两个参数未测到，而这两个参数很可能与宇宙中反物质缺失之谜有关;•它有没有磁矩等等。5和光子一样多的中微子:300/cc来自太阳,超新星,宇宙线,反应堆,加速器,大气层,地球大爆炸遗迹…中微子的来源可观测区6中微子研究是重大前沿课题中微子充满宇宙,很有可能是暗物质的一种.对宇宙而言,中微子是举足轻重的成份中微子是微观世界最基本的单元之一.虽然质量最小,作用最弱,但对粒子物理发展的影响则是巨大的.中微子又是极为特殊的物理探针.它可以将几万光年以外星体的信息带到地球,也可以将太阳内部的信息传递给人类.因此,中微子物理是当前基本粒子物理,宇宙学和天体物理的重要前沿课题.它既关系到微观粒子结构和相互作用,又关系到宏观宇宙的起源演化,它既是研究的微观对象,又是研究宏观世界的独特工具,它在两个截然不同的世界里却扮演着了非同小可的角色,是联系着两个世界的重要纽带.7中微子探测原理1.CC带电流反应:n+pe++nne+pe++nnm+pm-+n;nm+Nm-+X(shower)2.NC中性流反应nm+Nnm+X(shower)3.n与核子的非弹性散射ne+(A,Z)e++(A,Z-1)4.中微子电子散射反应ne+ene+e8•CherenkovRadiation：介质中运动的物体速度超过光在该介质中速度时发出的一种以短波长为主的电磁辐射,其特征是蓝色辉光。•产生机理：介质原子或分子的极化与退极化；电磁辐射的相干叠加，在一定方向得到加强。•Cherenkov辐射的阈特性、方向性是和入射粒子的速度密切相关的。•产生和记录Cherenkov辐射的装置称为Cherenkov探测器。切伦科夫探测器的组成•辐射体：可以是气体、液体和固体•Cherebkov辐射的传播和收集：在辐射体内，一部分被吸收；在辐射体界面上，折射、全反射、镜反射或漫反射。•光探测器：光电倍增管、固体光子探测器、光敏气体探测器、混合光探测器HPD中微子探测技术切伦科夫辐射探测器9中微子反应截面对中微子实验的挑战:“如何应对如此小的截面?”需要、建立大规模的探测器，但要低本底，低成本!StrongElectro-magneticWeak10※0.1-1keV中微子:R&D:低温探测技术※keV-MeV中微子:最早使用:辐射化学技术(太阳中微子Cl,Ga)ne+nXnY*R&D:发展实时+能量测量的方法正在进行:闪烁晶体,固体探测器ne+ee+ne※MeV-GeV中微子:正在进行:水Cherenkov探测器，液体闪烁计数器※GeV-TeV中微子:很早使用:高能物理实验探测系统※天体物理超高能(UHE)中微子:重大项目:水/冰Cherenov,电磁波/声波,宇宙线大气簇射..11辐射化学实验GALLEX:ne+71Ga71Ge,探测71Ge的X-rays12萨德伯里中微子天文台-SNO探测器SNO将观测来自地球、太阳甚至超新星爆发的中微子。它的核心是一个巨大的丙烯塑料球体，里面灌满800吨被称为闪烁剂的特制液体。这个球体被置于一个水池中，四周被水包围。1万个光电倍增管组成的超灵敏度光传感器监视着这个球体。当中微子接触球体中的闪烁剂时，闪烁剂中的某些粒子会与中微子作用而发光，微弱的光线被光传感器捕捉到。探测器装有1000吨重水、探测器腔高34米，直径22米地下2000米矿井、重水装在一个直径12米、厚6厘米的丙烯酸容器中，用9500个光电管进行观测。探测器腔衬有厚厚的聚氨酯做的水和氡的隔层，腔内充以7000吨超纯轻水作辐射屏蔽。13太阳、超新星中微子探测•使用重水探测太阳中微子和超新星中微子有独特的优势，氘有两个可观测的反应。•荷电流反应，专门对电子中微子的，它涉及到中子的逆衰变，产生一个慢质子和一个电子，其电子的能量与行将产生的中微子的能量几乎相等。根据该电子产生的契伦科夫光，可以在6.4MeV以上中微子能量上探测到这一反应。•中性流反应，它对所有类型的中微子同样灵敏，它涉及到氘的中微子蜕变，给出一个在重水中热化的自由中子。这一反应的阈能是2．2MeV探测技术•将0.2％的氯化镁(2吨)溶解在重水中，—使中微子主要俘获在氯中，产生8.5MeV能量的射线，再通过契伦科夫过程来探测。人们已经研究出能在几周内加入和排出盐分的技术。•安装120个充氦3的正比计数器，可以得到清晰的中子探测信号和位置信息。14利用南极冰原厚达数千米的天然冰层建造中微子探测器。这台探测器被称为“冰立方”中微子探测器，是迄今为止建造的最壮观的天文探测器。在这台仪器中，冰起着以往研究中超纯水的作用，它既是靶体，又是观测介质。冰立方”中微子探测器15太阳中微子的探测-天然冰层首先，工作人员使用高压热水在南极冰层中钻一些深达2450米的洞，每钻一个洞大约需40小时。然后，研究人员把一条带有连成一串的60个检测器模块的电缆往下放进这个洞里，并给这个洞浇满水，让它重新冻结。当一颗中微子在“冰立方”中触发了与某个原子核的反应的时候，会产生闪光。检测器就把闪光记录下来，地面的计算机根据记录下来的数据，可以重新构建出每一颗中微子的特性，并确定它们的能量及其来向。不带电荷且几乎没有质量，以致于它们可以穿过岩石、金属，甚至人体，因此很难探测到中微子。在极少情况下，中微子会撞到原子，然后产生一种被称为μ子的粒子以及一种蓝光闪烁，冰立方中微子天文台的探测器就可以捕获这闪烁。16Super-Kamionkande※水Cerenkov探测器:5万吨,11,000+只直径半米的PMTs日本中部神岗1000m的地下※物理:太阳n,大气n,长基线加速器n,质子衰变..17超级神岗探测器兴建于1987年，是一个容积达5万吨水的切伦科夫光探测器，主要用于太阳中微子和宇宙射线的探测。超级神冈探测器是一个圆柱形探测器，高41米，底面直径39米。内部探测器由11146只滨松R3600型直径为5O厘米的光电倍增管组成。内层半径16.9米，高36.2米，内装纯度极高的水。外层探测器围绕内层探测器，半径比内层大2.5米。外层探测器是由1885只滨松R1408型直径为2O厘米的光电倍增管组成。外层和内层之间充满水。这样的设计用来去除宇宙射线和周围岩石的放射性本底。神冈探测器内的探测原理中微子和水发生相互作用，产生的次级粒子在水中会发出切伦科夫光。超级神冈探测器是通过探测水中的切伦科夫光，分析太阳中微子和宇宙射线的各种特性。当带电粒子在介质中穿行，其速度超过光的相速时就会发射出波长为的切伦科夫光。日本超级神冈内部探测器的光电倍增管直径为50cm，是目前世界上最大的光电倍增管。它的优点在于：打拿极结构优化，单光电子峰更加清晰；探测单光电子的时间分辨率从原来的5ns提高到3ns。缺点在于：由于体积较大，光子在到达打拿极前的飞行时间(ns量级)可能由于不同的光子入射角度而不同，使得最终的时间修正值有误差，导致位置拟合的偏差。1819KamLAND长基线反应堆n(对世界20%反应堆的中微子灵敏!)平均距离160km1千吨液体闪烁体在神岗山洞内探测太阳n还没有物理结果20加速器n(1-10GeV)实验:典型的高能物理实验技术-m径迹探测,对电子或强子的簇射量能器CC:nm+Nm-+X(shower)NC:nm+Nnm+X(shower)21CHORUSNOMAD22在过去的十几年中，物理学家们发现中微子存在振荡——中微子在空间传播的时候从一种类型（Flavour；共有三种类型：电子（Electron）中微子、（Muon）子中微子以及（Tau）子中微子）变成另外一种类型，这种现象意味着中微子具有质量——的可靠证据。大亚湾反应堆中微子实验被设计成测量中微子混合中尚未被精确测量的混合角。这些混合角加上其它的一些参数可以完全标记中微子的振荡效应，如果能够更好地限制混合角的值将会增进我们对于为什么宇宙中的物质是正物质而非反物质这一现象的理解。大亚湾中微子实验23三味中微子的振荡混合矩阵：质量谱：参数化混合矩阵（PMNS矩阵，忽略了Majorana项）：太阳，反应堆反应堆，加速器大气，加速器24θ13的物理意义•最后一个相对不确定的混合角•关系到CP破坏相位角的测量–θ13如果不太小，则CP破坏相位角δ可以测量–反之，CP破坏相位角不可以通过振荡的方式来测量•反应堆中微子实验是测量θ13理想的方式，可以单一地测量θ13；而加速器实验中θ13和δ的效应混在一起，难以区分大亚湾实验的目标sin22θ130.0125探测器的设计RPC水切伦科夫探测器八角形的水池保证AD被2.5m以上的水层环绕，吸收散射中子水切伦科夫探测器和RPC构成反符合系统，探测宇宙线中微子探测器26中微子探测器•靶层：探测反衰变•直径3.1m,高3.1m•掺钆液闪•集光层：探测从靶层中逃逸的光子•纯液闪•厚42.5cm,高3.97m•白油层：吸收钢罐、PMT及外部的放射性；保持PMT对液闪闪烁光响应的均匀性•厚48.8cm,高4.976m27•中微子振荡是目前唯一被实验确认的超越标准模型的物理•描述中微子振荡的6个参数中，4个已经被很好的测定，只剩下混合角θ13和轻子CP破坏相位角没有被确定•而θ13的大小将决定轻子CP破坏相位角的可测性，从而影响未来中微子实验的设计•大亚湾反应堆中微子实验是为了精确测量θ13，使其比目前的精度提高一个数量级•大亚湾核反应堆的高功率和周围的山地提供了实验得天独厚的地理条件•实现大亚湾实验物理目标的关键是系统误差和本底事例的控制大亚湾中微子实验小结：28可见光Cherenkov中微子望远镜实验目标:探测天体物理nat1012-1015eVNESTORPylos,GreeceANTARESLa-Seyne-sur-Mer,FranceBAIKALRussiaDUMANDHawaii(cancelled1995)AMANDA,SouthPole,AntarcticaNEMOCatania,Italy29电磁波Chenrenkov探测器:for1015eVneutrinos;target-Moon,AntarticIce,Saltmine……30En1015eV:利用地球山峰做耙的实验31En1019eV:从太空观测Cherenkov或荧光32thanks