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中微子物理是当今粒子物理、天体物理和宇宙学的交叉前沿和研究热点.中微子振荡是目前观测到的唯一超出标准模型的现象,有可能开启通向新物理的大门.θ13是中微子振荡理论的六个基本混合参数之一,其大小决定着中微子物理的发展方向,直接决定了中微子振荡中CP破坏的强度.大亚湾反应堆中微子实验的物理目标是精确测量中微子混合角参数θ13,使sin2(2θ13)的灵敏度达到0.01或更好.为达到这一目标,减小实验系统误差和压低实验本底是关键。
在大亚湾中微子实验中,实验精度主要取决于来自反应堆的误差,来自探测器的误差和来自本底的误差.来自反应堆的误差是实验的三大误差来源之一,必须要专门研究.实验中,最终的物理分析需要来自反应堆的输入主要包括两个方面:1)基于核电站信息预测的反应堆发出的中微子能谱和流强.2)来自反应堆的误差.大亚湾实验采用在远近点布置全同探测器的相对方法来测量中微子流强,能够消除绝大部分的反应堆误差,消除的程度和误差在反应堆之间的关联性有关,因此一个重要的课题是区分反应堆误差的关联性。
本论文的研究就是基于大亚湾实验的物理分析对反应堆流强预测的相关要求展开的。
研究工作首先建立了反应堆中微子流强的计算方法.主要包括:1)同核电站确定数据需求.2)把反应堆看作中微子点源模型的研究.3)计算反应堆中关键燃料核素的裂变率随时间的演化.利用核电站的热功率测量和堆芯模拟两者构建计算模型.4)计算堆芯发射的中微子能谱.基于法国ILL实验对裂变核素中微子能谱的实测数据和核素裂变率对堆芯总的中微子能谱进行了计算.5)计算中微子在探测器中的预期能谱,研究中微子和质子发生的反β衰变的反应截面进行计算,并考虑来自所有反应堆的贡献.涉及到基线的实际勘测和堆芯裂变重心的计算.利用以上几项研究可以构建出预期的反应堆中微子流强的计算方法,除此之外还需要考虑长寿命同位素和核废料对中微子的额外贡献,这些也一并做了研究和修正。
实验的物理分析还需要对中微子流强预测的误差做研究.确定了误差的几大来源,对每一项来源的误差进行合理的估计,利用误差传递估每种误差对最后预测流强误差的影响.最后,为了满足物理分析的要求,对各种误差按照在反应堆之间的关联性做了分类并进行了误差传递:关联误差的总贡献为3%,这一部分将完全被远近相对测量所抵消;非关联误差的总贡献为0.8%,这些不能完全被抵消,但是会被极大地压低。
此项研究在大亚湾实验正式取数之前展开并基本完成,在大亚湾取数之后,在近点探测器观测到的中微子事例率随时间变化和预期的中微子事例率变化符合的很好,显示了计算的可靠性.计算也得到合作组中其他独立的小组计算的验证,用到大亚湾实验流强计算分析当中.基于此项研究的流强计算还将在大亚湾整个物理分析阶段持续提供预期的中微子能谱。