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Background Study and Prototype Testing

of the Daya Bay Experiment

Liu Jinchang

In Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Doctor of Philosophy

Graduate School of Chinese Academy of Sciences

Beijing, China

2006

( Submitted in October 2008 )

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Abstract

Neutrino physics is the frontier of particle physics, astrophysics and cosmology. Theneutrino mixing angle θ13 is one of the fundamental parameters of the neutrino physics. Themagnitude of θ13 will decide the future direction of the neutrino physics. The Daya Bay neutrinoexperiment is proposed to measure the parameter θ13 precisely using the reactor power plantgroup at Daya Bay, which is located in Shenzhen, Guangdong Province. To reach the sensitivityof 0.01, one has to study the backgrounds of the experiment in details, to optimize the designof the detector, to manufacture the prototype of the detector, and to test its performance. Thisthesis is a part of prophase studies for this experiment.

The background of the Daya Bay neutrino experimnet is studied. According to the detectordesign, background simulation has been done to show that the background from the vicinityradioactivity and the cosmic-ray induced neutrons contributes about 0.1% of the background-to-signal ratio. We had simple simulated the major background in the experiment which arefrom the cosmic-ray induced isotopes.

The performance of the prototype for the antineutrino detector has been constructedand tested. The measurement with radioactive sources shows that the prototype gives 295pe(photon electrons) of the energy response and 8.4% of energy resolution for 1MeV gamma raywhen the gamma ray source is at the center of the detector. The full detector Monte Carlosimulation is in a good agreement with the experiment data.

Key words: neutrino; Daya Bay reactor neutrino experiment; background simulation; neu-

tron source; energy response; energy resolution.

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P (να → νβ, U) = P (να → νβ , U∗) ( 1.10)

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0 0 1

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eiφ1 0 0

0 eiφ2 0

0 0 1

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c12c13 s12c13 s13e−iδ

−s12c23 − c12s23s13eiδ c12c23 − s12s23s13e

iδ s23c13

s12s23 − c12c23s13eiδ −c12s23 − s12c23s13e

iδ c23c13

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0 eiφ2 0

0 0 1

( 1.12)

ªªª¥¥¥§§§sij = sin θij , cij = cos θij , (i, j = 1, 2, 3)"""UUUìììùùù«««ëëëêêêzzz������¥¥¥���fff···ÜÜÜÝÝÝ

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CCC(neutrinoless double beta decay)¥¥¥***ÿÿÿ���"""

2. CP»»»������AAAdddJarlskogØØØCCCþþþLLL««« [17]"""lllUÝÝÝ���ooo���555������§§§333nnn«««������¥¥¥

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CCCþþþ½½½ÂÂÂ���µµµ

JCP = s12c12s23c23s13c213 sin δ ( 1.13)

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1.2. ¥¥¥���fff������···ÜÜÜÚÚÚ¥¥¥���fff������ 7

AAA¥¥¥���fff������¢¢¢������ÿÿÿþþþþþþkkkXXXeee'''XXXµµµ

∆m221 = ∆m2

solar,

∆m232 = ∆m2

atom,

θ12 = θsolar,

θ23 = θatom,

θ13 = θreactor. ( 1.14)

ªªª¥¥¥���solar���LLL������¥¥¥���fff¢¢¢���§§§atom���LLL���ííí¥¥¥���fff¢¢¢���§§§reactor���LLL���AAA

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∆m221 = 8.0+0.4

−0.3 × 10−5 eV 2,

sin2(2θ12) = 0.86+0.03−0.04 ( 1.15)

���ccc������ííí¥¥¥���fff¢¢¢������°°°(((���ÿÿÿþþþ(((JJJ555gggK2KÚÚÚSuper-Küüü���¢¢¢���||| [18]

[20]§§§%%%CCC������ZZZ¢¢¢���(((JJJXXXeeeµµµ

| ∆m232 | = (1.9 − 3.0) × 10−3 eV 2,

sin2(2θ23) > 0.92 (90% Confidence Level) ( 1.16)

���ccc������AAAææ楥¥���fff¢¢¢���ÿÿÿþþþ°°°ÝÝÝ���ppp���(((JJJ555gggCHOOZÚÚÚPalo Verdeüüü���¢¢¢

���||| [18] [21]§§§%%%CCC������ZZZ¢¢¢���(((JJJXXXeeeµµµ

sin2(2θ13) < 0.13 (90% Confidence Level) ( 1.17)

ddduuu¥¥¥���fff���nnn���§§§kkk���ååå^���1.18¤¤¤ááá"""

∆m221 + ∆m2

32 + ∆m213 = 0 ( 1.18)

���999���¥¥¥���fff������¢¢¢������ëëëêêê���kkk888���§§§§§§���´µµµ

∆m212, ∆m2

32, sin2(θ12), sin2(θ23), sin2(θ13), δ ( 1.19)

���ccc���¢¢¢���®®®²²²(((½½½±±±þþþ888���ëëëêêꥥ¥���nnn������µµµ∆m212, | ∆m2

32 |, sin2(θ12), sin2(θ23)"""

���kkküüü������ëëëêêêkkk���ÿÿÿþþþ§§§§§§���´µµµ

sign of | ∆m232 |, sin2(θ13), δ ( 1.20)

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lll(((JJJ1.15 1.16¥¥¥www���§§§∆m2

12

| ∆m232 |

∼ 10−2 ( 1.21)

nnnÜÜÜ���§§§1.18������µµµ

| ∆m232 | ≈ | ∆m2

31 | ( 1.22)

lllùùù���'''XXXwwwÑÑѧ§§£££ãã㥥¥���fff���������üüü���¥¥¥���fff���þþþ²²²������ëëëêêê���������üüü���êêêþþþ

???"""(((ÜÜÜúúúªªª1.7§§§���¥¥¥���fff������¢¢¢������L/E÷÷÷vvv'''XXXµµµ

∆m2L

E= o(1) ( 1.23)

���§§§nnn���¥¥¥���fff������CCCqqqCCC¤¤¤üüü«««¥¥¥���fffmmm���������···ÜÜÜ"""333���§§§1.11¤¤¤«««���MNSPÝÝÝ

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P (να → νβ) = sin2 2θ sin2[1.27∆m2L/E] ( 1.24)

���β 6= α���§§§ÚÚÚ

P (να → να) = 1 − sin2 2θ sin2[1.27∆m2L/E] ( 1.25)

���§§§1.24£££ãã㥥¥���fff������)))(appearance)¢¢¢���§§§���§§§1.25£££ãã㥥¥���fff���������(disappearance)

¢¢¢���§§§§§§���´¢¢¢���¥¥¥²²²~~~^������üüü���úúúªªª"""

1.3 sin2 2θ13���ÐÐÐ[[[ÜÜÜ

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5

10

0 0.02 0.04 0.06

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∆χ2

sin2θ13

10-2

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sin2θ13

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10

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20

∆χ2

Atm

+ K

2K +

Cho

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Sol

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Kam

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Solar

Kam

LAN

D

90% CL

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KKK���"""lll(((JJJ©©©ÛÛÛ������XXXeee(((ØØصµµ���������∆χ2 éééAAA���sin2 θ13 = 0.009 £££BGP¤¤¤

½½½sin2 θ13 = 0.006 £££MSTV¤¤¤"""LLL���1.1���ÑÑÑ3332σ***3σmmm���§§§���ZZZ[[[ÜÜÜ���ùùùÊÊÊ���···

ÜÜÜëëëêêê������"""lllBGPÚÚÚMSTV©©©ÛÛÛLLL���¥¥¥���±±±wwwÑÑÑ(((JJJÄÄÄ���´���������§§§θ13���þþþ���

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P (νµ → ντ ) = sin2 2θ23 cos4 θ13 sin2[1.27∆m232L/E] ( 1.26)

P (νµ → νe) = sin2 2θ13 sin2 θ12 sin2[1.27∆m232L/E] ( 1.27)

ddduuuθ13ééé���§§§éééuuuνµ → ντ���¥¥¥���fff���)))¢¢¢���§§§���±±±ÿÿÿþþþ������«««¥¥¥���fff···ÜÜÜ������

AAA""" νµ → νe���������LLL§§§���±±±ÿÿÿþþþθ13ÚÚÚCP������§§§���������������AAAÇÇÇ���µµµ

P (νµ → νe) = sin2 2θ13 sin2 θ23 sin2[1.27∆m232L/E]

+ sin2 2θ13 cos2 θ23 sin2[1.27∆m221L/E]

−(+)J sin(δ) sin[1.27∆m232L/E]

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10 111 1ÙÙÙ ¥¥¥���fffÚÚÚ¥¥¥���fff¢¢¢���VVVããã

Parameter (BGP [23]) Best fit 2σ interval 3σ interval

∆m221 (10−5 eV2) 7.1 6.2–8.2 5.5–9.7

∆m232 (10−3 eV2) 2.6 1.8–3.3 1.4–3.7

tan2 θ12 0.42 0.34–0.54 0.30–0.63

tan2 θ23 1.0 0.61–1.7 0.45–2.3

sin2 θ13 (sin2 2θ13) 0.009 (0.036) ≤ 0.036 ≤ 0.053

Parameter (MSTV [24]) Best fit 2σ interval 3σ interval

∆m221 (10−5 eV2) 6.9 6.0–8.4 5.4–9.5

∆m231 (10−3 eV2) 2.6 1.8–3.3 1.4–3.7

sin2 θ12 0.30 0.25–0.36 0.23–0.39

sin2 θ23 0.52 0.36–0.67 0.31–0.72

sin2 θ13 (sin2 2θ13) 0.006 (0.024) ≤ 0.035 ≤ 0.054

LLL 1.1: nnn���¥¥¥���fff···ÜÜÜ^���eee§§§2σ (95% C.L.) ***3σ (99.7% C.L.)§§§¥¥¥���fff������ëëëêêê������ZZZ[[[ÜÜÜ��� [15]"""

+J cos(δ) cos[1.27∆m232L/E] ( 1.28)

ªªª¥¥¥���J���JarlskogØØØCCCþþþ§§§éééuuu¥¥¥���fff���������111nnn������KKK§§§éééuuu���¥¥¥���fff���������111

nnn��������� [18]"""¦¦¦+++\\\���ìì좢¢���ddduuu¢¢¢���LLL§§§§§§���...������ååå555NNN´§§§¢¢¢���þþþ���±±±

������éééppp���°°°ÝÝݶ¶¶���´lllúúúªªª1.28¥¥¥wwwÑÑѧ§§\\\���ìì쥥¥���fff¢¢¢���ÿÿÿþþþθ13���§§§¡¡¡���������

������������(((JJJ´ëëëêêê���{{{¿¿¿¯KKK"""ddd333���nnn«««ëëëêêê{{{¿¿¿´ [25]: £££i¤¤¤£££δ, θ13¤¤¤ØØØ(((

½½½§§§£££ii¤¤¤¥¥¥���fff���þþþ���???ØØØ(((½½½£££∆m232���ÎÎÎÒÒÒØØØ(((½½½¤¤¤§§§£££iii¤¤¤£££θ23,

π2− θ23¤¤¤ØØØ

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���AAAææ楥¥���fff¢¢¢���¥¥¥§§§���>>>fff¥¥¥���fff���������AAAÇÇÇLLL���ªªª [18]���µµµ

P (νe → νe) = 1 − cos4 θ13 sin2 2θ12 sin2[1.27∆m221L/E]

− sin2 2θ13 sin2[1.27∆m232L/E] ( 1.29)

���ÀÀÀ���ÜÜÜ···���ÄÄÄ������ÝÝÝ£££&&&ÿÿÿìììÚÚÚ���AAAæææ���ååålllL < 5km¤¤¤���§§§þþþªªª¥¥¥���111���������

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Ethrνe

=(Mn + me)

2 − M2p

2Mp= 1.806MeV ( 1.31)

���***ÿÿÿ������UUUþþþ���µµµ

Evis ≈ Eνe − 0.8MeV ( 1.32)

&&&ÿÿÿ"""���e+ÚÚÚn&&&ÒÒÒ999ÙÙÙ���mmm'''ééé´ùùù������nnn���¢¢¢yyyLLL§§§"""ReinesÚÚÚCowan���¢¢¢���

||| [29]§§§±±±999CHOOZ¢¢¢���!!!Palo Verde¢¢¢���ÚÚÚ���æææ���¢¢¢���ÑÑÑ´|||^ùùù������nnn���{{{"""

2. ¥¥¥���fff���ÔÔÔ������ÑÑÑ���

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««« [31]µµµ

νx + e− → νx + e− ( 1.33)

νe + d → e− + p + p ( 1.34)

νx + d → e− + p + n ( 1.35)

Super-KÚÚÚSNO¢¢¢���&&&ÿÿÿ¥¥¥���fff������nnn´���AAA1.33§§§���AAA1.34���¡¡¡������>>>666���AAA§§§���···

ÜÜÜ>>>fff¥¥¥���fff���&&&ÿÿÿ§§§���AAA1.35´¥¥¥555666���AAA§§§···ÜÜÜuuu¤¤¤kkk���¥¥¥���fffµµµx = e, µ, τ"""

���>>>666���AAA¥¥¥>>>fff���UUUþþþ���>>>fff¥¥¥���fff���UUUþþþkkkééérrr���'''éé駧§���±±±���ÑÑÑ°°°(((���>>>fff

¥¥¥���fffUUUÌÌÌ"""¥¥¥555666���AAA���UUUþþþKKK������2.2MeV"""333­­­YYY¥¥¥§§§¥¥¥555666���AAA&&&ÒÒÒ´¥¥¥fff

333���þþþ���ÐÐм¼¼���)))6.25MeV���³³³ççç111fff&&&ÒÒÒ"""

3. ËËË���zzzÆÆÆEEEâââ

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νe + 37Cl → e− + 37Ar (threshold 814KeV ) ( 1.36)

νe + 71Ga → e− + 71Ge (threshold 233KeV ) ( 1.37)

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12 111 1ÙÙÙ ¥¥¥���fffÚÚÚ¥¥¥���fff¢¢¢���VVVããã

ÄÄÄuuu±±±þþþüüü������AAA���§§§ªªª���¢¢¢������±±±ÿÿÿþþþ������¥¥¥���fff"""¢¢¢���¥¥¥¦¦¦^¹¹¹kkk37Cl���ÔÔÔ���

£££Homestake¢¢¢��� [26]¤¤¤½½½ööö71Ar���ÔÔÔ���£££GALLEX¢¢¢��� [32]ÚÚÚSAGE¢¢¢��� [33]¤¤¤������&&&

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2. µfff���åååPPP333���fffØØØSSS���¥¥¥fffuuu)))���555ÑÑÑ���¶¶¶

3. ������ µfff���)))���111ØØØ���^(photonuclear reaction)LLL§§§¶¶¶

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5. µfff������fffØØØÐÐм¼¼������)))ggg???¥¥¥fff���LLL§§§"""

nnnØØØþþþéééLLL§§§2ÚÚÚ3���)))'''������ÙÙÙ"""éééuuuLLL§§§1ÚÚÚ4§§§nnnØØØþþþ���nnn)))���333ééé���

���ØØØ(((½½½555"""ùùùooo«««LLL§§§ uuu)))333 µfff$$$ÄÄÄLLL§§§¥¥¥§§§OOO���111���aaa¥¥¥fff(neutron

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dN

dEn= A

(

e−7En

En+ (0.52 − 0.58e−0.0099Eµ)e−2En

)

( 3.3)

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dN

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A

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( 3.4)

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¥¥¥������fffØØØÐÐм¼¼§§§ùùù������¥¥¥fffOOO���111���aaa¥¥¥fff(neutron generated by stopped muon)"""

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Sreal(x) = Sideal(x, µ, Q1, σ1)⊗

B(x, w, σ0, α) ( 4.14)

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(2) ������UUUþþþ

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Cs run background fitting

Total photon electrons detected210

coun

ts

1

10

210

310

/ ndf 1.2242χ

17.931λ

c1 6046

147.52λ

c2 584.0

56271a

356.21x

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58.922δ

Co run background fitting

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( 4.28)

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fitdelay(x) = fitdelay−bkg(x) + fitdelay−2.225MeV (x) + fitdelay−8MeV (x) ( 4.29)

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[16] H. Fritzsch, Zhi-zhong Xing, Phys. Lett. B 517 (2001) 363õõõ368

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[19] B. Aharmim et al., Phys. Rev. C72, 055502 (2005); T. Araki et al., Phys. Rev. Lett. 94,081801 (2005)

[20] Y. Ashie et al., Phys. Rev. D71, 112005 (2005); E. Aliu et al., Phys. Rev. Lett. 94, 081802(2005)

[21] M. Apollonio et al., Euro. Phys. J. C 27, 331 (2003); F. Boehm et al., Phys. Rev. D64,112001 (2001)

[22] For recent reviews with extensive references, see: H. Fritzsch and Z.Z. Xing, Prog. Part.Nucl. Phys. 45, 1 (2000); R.N. Mohapatra, talk at Conference on Physics Beyond theStandard Model: Beyond the Desert 02, Oulu, Finland, 2-7 Jun 2002, and at 10th In-ternational Conference on Supersymmetry and Unification of Fundamental Interactions(SUSY02), Hamburg, Germany, 17-23 Jun 2002. hep-ph/0211252; M.C. Gonzalez-Garciaand Y. Nir, Rev. Mod. Phys. 75, 345 (2003); G. Altarelli and F. Feruglio, talk at the10th International Workshop on Neutrino Telescopes, Venice, Italy, 11-14 Mar 2003, hep-ph/0306265; S.F. King, Rept Prog. Phys. 67, 107 (2004) [hepph/ 0310204]; V. Barger,D. Marfatia, and K. Whisnant, Int. J. Mod. Phys. E 12, 569 (2003);Z.-Z. Xing, Fla-vor Mixing and CP Violation of Massive Neutrinos, Int. J. Mod. Phys. A19, 1 (2004)[arXiv:hep-ph/0307359]

[23] J.N. Bahcall and C. Pena − Garay, JHEP 0311, 004 (2003); see also, M.C. Gonzalez-Garcia and C. Pena − Garay, Phys. Rev. D 68, 093003 (2003).

[24] M. Maltoni, T. Schwetz, M.A. T ortola, and J.W.F. Valle, New J. Phys. 6, 122 (2004)[arXiv:hep-ph/0405172].

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