【摘 要】
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核塌缩式超新星会释放大量各种味道的中微子,平均能量10-20MeV,携带约99%的超新星爆发能量。这些中微子不但对研究中微子属性和超出标准模型新物理有着不可替代的作用,而且蕴藏了大质量恒星演化过程的丰富信息。因此,探测超新星中微子对粒子物理、天体物理、核物理、以及宇宙学都具有重要意义。到目前为止,对超新星中微子的实验研究不仅针对爆发中微子,还包括弥散在整个宇宙空间由过往超新星爆发产生的遗迹中微子。
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核塌缩式超新星会释放大量各种味道的中微子,平均能量10-20MeV,携带约99%的超新星爆发能量。这些中微子不但对研究中微子属性和超出标准模型新物理有着不可替代的作用,而且蕴藏了大质量恒星演化过程的丰富信息。因此,探测超新星中微子对粒子物理、天体物理、核物理、以及宇宙学都具有重要意义。到目前为止,对超新星中微子的实验研究不仅针对爆发中微子,还包括弥散在整个宇宙空间由过往超新星爆发产生的遗迹中微子。本论文针对正在运行的大亚湾反应堆中微子实验和拟开展的锦屏中微子实验,利用超新星反电子中微子与探测器靶物质的反贝塔衰变(IBD)事例,进行了三个方面超新星中微子的实验研究。1)大亚湾中微子实验是目前世界上唯一具有空间分离的多个探测器的中微子实验。在该实验中,完成了设计,搭建,测试,及运行超新星中微子爆发在线触发系统。利用各个探测器上的IBD事例,通过构造概率密度函数,使该系统成为目前世界上响应最快,阈值最低的超新星触发系统,并对20 kpc以内的核塌缩式超新星爆发有100%的探测效率。该系统于2013年8月安装在大亚湾中微子实验中,于2014年11月正式联网国际超新星预警系统(SNEWS),并正常运行至今。2)分析了从2011年12月到2013年11月大亚湾采集的实验数据,对可能的超新星中微子爆发事例进行了寻找。进一步挖掘了可用于探测的中微子和碳-12的中性流反应。高能量阈值(10 MeV)寻找对25 kpc范围内的核塌缩式超新星爆发有100%的效率。结合运行至今的在线触发系统,在90%置信水平给出了银河系内0.53/年的核塌缩式超新星爆发率上限。低能量阈值(0.7 MeV)的寻找是目前世界上能量下限最低的超新星中微子实验研究之一,旨在进行不依赖于模型的搜寻;找到了两个可疑事例,概率上和能谱上均与本底预期一致。特别寻找了与超新星SN2014J和引力波GW150914关联的中微子事例,给出了相应的上限。3)对具有最深岩石覆盖和远离核电站的特点的锦屏中微子实验进行了计算研究。结果表明,千吨级的锦屏中微子探测器有望首次发现超新星遗迹中微子信号,主要本底仅由固有的大气中微子产生。其灵敏度可与未来万吨级普通液闪或者水切伦科夫探测器相当(对超新星爆发灵敏度也是如此),利用20千吨-年的数据,能在99.95%置信水平上发现当前HBD模型预言的超新星遗迹中微子信号。
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