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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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)]

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

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c12 s12 0

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0 0 1

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0 eiφ2 0

0 0 1

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c12c13 s12c13 s13e−iδ

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s12s23 − c12c23s13eiδ −c12s23 − s12c23s13e

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( 1.12)

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CCCþþþ½½½ÂÂÂ���µµµ

JCP = s12c12s23c23s13c213 sin δ ( 1.13)

ùùù���'''XXXLLL²²²§§§¥¥¥���fff������¢¢¢���¥¥¥���CP»»»������AAA���'''uuusin 䧧§���§§§1.11¥¥¥

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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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8 111 1ÙÙÙ ¥¥¥���fffÚÚÚ¥¥¥���fff¢¢¢���VVVããã

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

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∆m2L

E= o(1) ( 1.23)

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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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1.3. sin2 2θ13���ÐÐÐ[[[ÜÜÜ 9

0

5

10

0 0.02 0.04 0.06

∆χ2 θ13vs

All 2002+ [p-p]ν-e ± 1%

∆χ2

sin2θ13

10-2

10-1

sin2θ13

0

5

10

15

20

∆χ2

Atm

+ K

2K +

Cho

oz

Sol

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Solar

Kam

LAN

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

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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

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

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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)

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1.4. ���AAAææ楥¥���fff¢¢¢��� 11

1.4 ���AAAææ楥¥���fff¢¢¢���

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���βPPPCCC���UUUþþþKKK������ [28]µµµ

Ethrνe

=(Mn + me)

2 − M2p

2Mp= 1.806MeV ( 1.31)

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Evis ≈ Eνe − 0.8MeV ( 1.32)

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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§§§���···

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

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

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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���

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3000

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

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

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dN

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(

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En+ (0.52 − 0.58e−0.0099Eµ)e−2En

)

( 3.3)

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34 111 3ÙÙÙ ���æææ������AAAææ楥¥���fff¢¢¢���������...���[[[

dN

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A

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( 3.4)

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Λdecay = Qτ−1µ+ ( 3.6)

Λ−1total = τµ− < τµ+ = 2.19703µs ( 3.7)

ªªª¥¥¥§§§Q ≤ 1´¿¿¿ÅÅÅXXXêêê [75](Huff factor)"""¿¿¿ÅÅÅXXXêê꣣£ãããXXXeee���AAAµµµKKK µfffåååPPP333���

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KKK µfff���uuu)))������AAAµµµ

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µ− +12 C → νµ +12 B∗ ( 3.9)

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C 2026.3 0.388 × 105 7.85 1

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B(x, w, σ0, α) ( 4.14)

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MT +MαEα+Q)´���%%%XXX¥¥¥fff���UUUþþþ§§§MT���qqq���þþþ"""lllùùù���úúúªªª������§§§

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(2) ������UUUþþþ

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310

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15.541λ

c1 8179

127.92λ

c2 686.4

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356.51x

65.961δ

27112a

692.82x

77.162δ

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

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17932a

705.82x

58.922δ

Co run background fitting

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23531x 93.311δ

36612aG 656.42x 42.092δ 43163aG 14063x 244.43δ

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