江门中微子实验3英寸光电倍增管性能测试及缪子径迹重建研究

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中微子物理是粒子物理、天文物理和宇宙学等学科的交叉前沿和研究热点。大亚湾实验将中微子混合角参数θ13精确地测量之后,仍然存在着重要的物理问题等待解决和回答。包括CP破坏相角、中微子是马约纳拉(Majorana fermion)费米子还是狄拉克粒子(Dirac fermion)?中微子的绝对质量及质量起源问题等。江门中微子实验(JUNO)作为一个中基线的、多物理目标的大型中微子实验,其主要目标之一是通过精确测量反应堆中微子的能谱去测量中微子质量顺序,预计通过6年的取数可以实现3 sigma的测量。为此,中心探测器需要达到3%能量分辨率以及1%的能量精度。江门实验的中心探测器有两套量能器系统,它们的光电灵敏探测系统分别是由17612支20英寸光电倍增管(LPMT)组成的LPMT系统,以及由26000支3英寸光电倍增管(SPMT)组成SPMT系统。其中SPMT系统的主要功能之一是用于LPMT的电荷响应刻度,更好地理解探测器能量非线性,从而实现精确的能标刻度并降低能量分辨率的非统计项。为了保证SPMT的性能达到JUNO实验要求,广西大学(GXU)利用测试电子学针对防水封装后的SPMT的3项主要性能参数进行测试,分别是单光电子(spe)的分辨率,暗噪声计数率,以及增益。截止2022年3月,已经完成了15424支SPMT的验收测试,不合格率约为0.64%(98/15424)。SPMT的测试有效地检验了防水封装后的3英寸光电倍增管的工作状态,确保其能够在江门实验中正常工作,并在探测器精确刻度及宇宙线缪子的径迹重建等研究中发挥作用。江门实验SPMT“小而多”的特点对于研究高能事例有独特的优势,特别是其对于高能量的宇宙线缪子事例依然能够保持非饱和的读出状态,这使得SPMT系统在进行精确的缪子径迹重建以及宇生放射性核素本底排除的研究中充当了极其重要的角色。对于反应堆反中微子探测器而言,由宇宙线μ子产生的宇生放射性核素本底,(~9Li/~8He等)是反应堆反中微子的主要关联本底,需要恰当的策略去进行专门的本底排除,这要求具备精确的μ子径迹重建能力。然而不同于以往的中微子探测器,JUNO中心探测器采用的液体闪烁体达到了2万吨,探测器灵敏体积大,相对应的蒙卡模拟结果显示在JUNO中心探测器中缪子束事例(muon bundle,对应muon multiplicity≥2)占总的缪子事例的8%,其对宇生放射性核素本底的贡献以及对缪子排除策略的影响不可忽视,然而这类缪子事例的具体重建问题在之前的液闪探测器实验当中从未被仔细讨论和研究过。根据SPMT的电荷响应,本论文中开发了一种高效的缪子径迹重建算法,这是第一次针对大型液闪探测器中的缪子束事例径迹进行重建尝试。并且,该算法对于单缪子和双缪子(muon multiplicity=2)事例径迹重建都都显示出较好的性能和重建结果。对于单缪子事例径迹重建的空间和角度分辨率分别为20cm和0.5°,而对于单缪子事例径迹重建的空间和角度分辨率分别为30cm和1°。此外本文中也进行了初步的缪子事例分类讨论和反符合策略讨论。
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