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中微子物理是近年来物理学界的热门话题之一。中微子是构成物质世界的基本粒子,其在微观的粒子物理规律和宏观的宇宙起源及演化中起着重大的作用,特别是发现了中微子有质量和振荡后,人们认识到这是发现超出标准模型的新物理的突破口。
中微子振荡是研究中微子性质的主要途径,中微子振荡的规律可以由六个混合参数来表示,部分参数已经由太阳中微子,大气中微子,反应堆中微子和加速器中微子实验测得。而测量混合参数θ13成为下一代中微子实验的主要目标,用反应堆中微子实验测θ13不存在参数简并,实验投入小,是测量θ13的理想方法。大亚湾反应堆中微子实验拟在我国大亚湾核电站测量中微子的混合参数θ13。论文工作是这个实验的前期研究的一部分。
第一章,引言,简要介绍中微子的发展历史和目前中微子物理需要解决的问题。中微子物理需要解决的问题之一是中微子振荡,从理论和实验两方面介绍了中微予振荡。中微予振荡中部分参数已经由太阳中微子,大气中微子,反应堆中微子和加速器中微子实验测得。而测量混合参数θ13成为下一代中微子实验的主要目标。介绍了理论预言θ13的大小和测量θ13的方法。
第二章,大亚湾反应堆中微子实验,介绍了大亚湾核电站的自然环境,实验的布局,探测器的设计,探测过程,系统误差和本底等。
第三章,反应堆中微子实验的物理分析方法,x2分析,通过观测反应堆释放的中微子在不同距离的数量和能谱的变化来测量是否存在振荡因而可以从计数和谱两方面分析。在x2假设检验中引入本底和系统误差的方法,并通过最大化混合角θ13的测量敏感度对基线长度进行优化,研究对基线有影响的因素,如振荡效应,系统误差,统计误差,本底等,从而找到反应堆实验远近探测器的最佳位置。然后具体到大亚湾反应堆中微子实验的远近探测器位置的选取。同时还研究了影响大亚湾反应堆中微子实验灵敏度的其他因素(运行时间和探测器的质量),未来实验可能采用几种方案(Near+Mid,Near+Far,Mid+Far,Near+Mid+Far),以及与国际上其他实验(Double Chooz,Braidwood)的比较。
第四章,研究作为屏蔽层探测器的水契伦克夫探测器。首先介绍了模拟需要的基于C++面向对象的Geant4软件包及Geant4光学过程的描述。然后介绍水契伦克夫探测器的设计。接着描述了大亚湾反应堆中微子实验水契伦克夫探测器具体的模拟框架和输出。最后分析模拟结果,包括反射层对探测性能的影响,对噪声本底和探测效率的分析。
附录介绍了反应堆的主要情况,包括反应堆中微子的流强和能谱。