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ii
Study of Water Cerenkov and Prototype Detector
of Daya Bay Experiment
Lu Haoqi
In Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Doctor of Philosophy
Graduate School of Chinese Academy of Sciences
Beijing, China
2009
( Submitted in May 2009 )
iv
c© 2009
Lu Haoqi
All Rights Reserved
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ii
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 Bayneutrino experiment is proposed to measure the parameter θ13 precisely using the reactorpower plant group at Daya Bay, which is located in Shenzhen, Guangdong Province. To reachthe sensitivity of 0.01 for sin2(2θ13) measurement, one has to study the backgrounds of theexperiment in details, to optimize the design of the detector, to manufacture the prototype ofthe detector, and to test its performance. This thesis is mainly work on the water Cerenkovdetector and tank prototype experiment.
The Daya Bay experiment is a low background experiment.The veto systems with effectiveefficiency > 99.5%, play very important role. This thesis is worked on the design and opti-mization the water Cerenkov veto detector. The final design is a octagonal water Cerenkovdetector with double layer structure which effective efficiency can reach 99.9%. The criterionfor the detector is the water absorption length should >30 meters and the tyvek reflectivityshould > 80% from the simulation results. To do the detector study, we design and constructprototype tank based on the Daya Bay pool. Based on the detector study, we construct apractical model try to estimate the water resistivity of the pool in final, which can be used forlarge water Cerenkov detector. The prototype measurement shows that the tyvek reflectivitycan reach 99% and water absorption length can achieve 140m from the cosmic muon waveformstudy. It verifies that the Daya Bay experiment’s criterion is practical. From the consistencebetween the cosmic muon data and MC results, the reliability and effectiveness of the wa-ter Cerenkov detector simulation software is verified. The construction and test of the tankprototype can provide the technique and experience for the construction of Daya Bay waterCerenkov detector.
Key words: neutrino, Daya Bay reactor neutrino experiment, water Cerenkov detector,
tyvek, efficiency, absorption length, reflectiviy,resistivity.
iv
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∗βj)sin
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(
L
E
)]
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P (νβ → να, U) = P (να → νβ , U∗) ( 1.9)
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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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0 eiφ2 0
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( 1.11)
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−s12c23 − c12s23s13eiδ c12c23 − s12s23s13e
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s12s23 − c12c23s13eiδ −c12s23 − s12c23s13e
iδ c23c13
eiφ1 0 0
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0 0 1
( 1.12)
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∆m221 = ∆m2
solar,
∆m232 = ∆m2
atom,
θ12 = θsolar,
θ23 = θatom,
1.2. ¥¥¥fff 5
θ13 = θreactor. ( 1.14)
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−0.3 × 10−5 eV 2,
sin2(2θ12) = 0.86+0.03−0.04 ( 1.15)
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[40]§§§%%%CCCZZZ¢¢¢(((JJJXXXeeeµµµ
| ∆m232 | = (1.9 − 3.0) × 10−3 eV 2,
sin2(2θ23) > 0.92 (90% Confidence Level) ( 1.16)
cccAAAææ楥¥fff¢¢¢ÿÿÿþþþ°°°ÝÝÝppp(((JJJ555gggCHOOZÚÚÚPalo Verdeüüü¢¢¢
||| [38] [41]§§§%%%CCCZZZ¢¢¢(((JJJXXXeeeµµµ
sin2(2θ13) < 0.13 (90% Confidence Level) ( 1.17)
ddduuu¥¥¥fffnnn§§§kkkååå^1.18¤¤¤ááá"""
∆m221 + ∆m2
32 + ∆m213 = 0 ( 1.18)
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∆m212, ∆m2
32, sin2(θ12), sin2(θ23), sin2(θ13), δ ( 1.19)
ccc¢¢¢®®®²²²(((½½½±±±þþþ888ëëëêêꥥ¥nnnµµµ∆m212, | ∆m2
32 |, sin2(θ12), sin2(θ23)"""
kkküüüëëëêêêkkkÿÿÿþþþ§§§§§§´µµµ
sign of | ∆m232 |, sin2(θ13), δ ( 1.20)
6 111 1ÙÙÙ ¥¥¥fff¥¥¥fff¢¢¢VVV¹¹¹
lll(((JJJ1.15 1.16¥¥¥www§§§∆m2
12
| ∆m232 |
∼ 10−2 ( 1.21)
nnnÜÜܧ§§1.18µµµ
| ∆m232 | ≈ | ∆m2
31 | ( 1.22)
lllùùù'''XXXwwwÑÑѧ§§£££ãã㥥¥fffüüü¥¥¥fffþþþ²²²ëëëêêêüüüêêêþþþ
???"""(((ÜÜÜúúúªªª1.7§§§¥¥¥fff¢¢¢L/E÷÷÷vvv'''XXXµµµ
∆m2L
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§§§nnn¥¥¥fffCCCqqqCCC¤¤¤üüü«««¥¥¥fffmmm···ÜÜÜ"""333§§§1.11¤¤¤«««MNSPÝÝÝ
ëëëêêêzzz^eee§§§úúúªªª1.7CCCqqqCCC¤¤¤XXXeee///ªªªµµµ
P (να → νβ) = sin2 2θ sin2[1.27∆m2L/E] ( 1.24)
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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)
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ííí¥¥¥fff···ÜÜÜ sin2θ23=0.466 0.366 < sin2θ23 < 0.602
···ÜÜÜθ13 sin2θ13=0.016 sin2θ13 < 0.036
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sin2(2θ13) = 0 ± 0.05 ( 1.30)
1.4. sin2 2θ13êêê©©©ÛÛÛ 11
Parameter (BGP [64]) 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 [65]) 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 1.2: nnn¥¥¥fff···ÜÜÜ^eee§§§2σ (95% C.L.) ***3σ (99.7% C.L.)§§§¥¥¥fffëëëêêêZZZ[[[ÜÜÜ [35]"""
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P (νµ → νe) = sin2 2θ13 sin2 θ12 sin2[1.27∆m232L/E] ( 1.33)
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AAA""" νµ → νeLLL§§§±±±ÿÿÿþþþθ13ÚÚÚCP§§§AAAÇÇǵµµ
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]
+J cos(δ) cos[1.27∆m232L/E] ( 1.34)
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P (νe → νe) = 1 − cos4 θ13 sin2 2θ12 sin2[1.27∆m221L/E]
− sin2 2θ13 sin2[1.27∆m232L/E] ( 1.35)
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10m 6836 1.26% (80.65±0.48)% (83.11±0.38)% (2.45±0.62)%
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15m 7462 22.53% 75.06±0.50)% (96.41±0.22)% (22.53±0.55)
10m 6536 21.59% (73.74±0.54)% (94.18±0.27)% (20.44±0.60)
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0.12± 5.18 τ
0.014± 0.345 0σ
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0.73± 24.15 τ
0.0062± 0.2242 0σ
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0.00053± 0.07423 0σ
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time/hour0 10 20 30 40 50 60
*cm
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10 / ndf 20.94/212χ
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k
0.0016± 0.1135 0σ
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5.3.4 (((
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5.4 VVVNNNÈÈÈÌÌÌ...
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5.4.1 ÌÌÌ...(ÀÀÀzzzXXXÚÚÚmmm)
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XXXÚÚÚ666u§§§ddddddXXXeee'''XXXªªªµµµ
u1i+u2i=u ;
u1o+u2o=u;
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τ1=V1
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V1
+ k1dt ( 5.8)
éé駧§( 5.8)???111ÈÈÈ©©©,( 5.9)
σ1 = (σmb + 2k1τ) + c01exp(− t
τ1) ( 5.9)
5.4. VVVNNNÈÈÈÌÌÌ... 91
σmb=0.06 µS/cm ;τ1=V1
u1i´éééV1NNNÈÈÈÌÌ̤¤¤IIImmm;c01 ~~~êêê"""éééNNN
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mmm(t−→dt)SSSlllfffßßßÝÝÝCCCzzzµµµ
d(0.5σ2) =0.5(σmbu2i + σ1uc − u20σ2)
V2dt + k2dt ( 5.10)
dσ2
dt=
(σmbu2i + σ1uc − u20σ2)
V2
+ 2k2 ( 5.11)
dσ2
dt=
σmbu2i + ((σmb + 2k1τ) + c01exp(− tτ1
))uc − u20σ2
V2+ 2k2 ( 5.12)
···½½½ÂÂÂ
A = σmb + 2k1τ1; a =ucc01
V2; b =
σmbu2i + 2k2V2 + ucA
V2; τ2 =
V2
u2o; ( 5.13)
dddddd±±±ÑÑÑdσ2
dt= b − σ2τ2 + a ∗ exp(− t
τ1); ( 5.14)
éé駧§( 5.24)¦¦¦)))§§§ÑÑÑσ2
σ2 =bτ2(τ1 − τ2) + aτ1τ2exp(− t
τ1)
τ1 − τ2+ c02exp(− t
τ2) ( 5.15)
½½½ÂÂÂσ´oooÑÑÑ>>>ÇÇÇ(ÑÑÑ666u l/h):
σ =u1oσ1 + u2oσ2
u1o + u2o; ( 5.16)
ªªªÑÑÑooo>>>ÇÇÇ:
R =1
σ=
u
u1oσ1 + u2oσ2
; ( 5.17)
5.4.2 ÀÀÀzzzXXXÚÚÚÊÊÊóóó
ÀÀÀzzzXXXÚÚÚÊÊÊóó󧧧éééNNNÈÈÈV1,dddσmb = σ1;
d(0.5σ1) =0.5(σmb − σ1)u1idt
V1
+ k1dt ( 5.18)
§§§5.18CCC
d(0.5σ1) = k1dt; ( 5.19)
éé駧§5.19???111ÈÈÈ©©©§§§5.20
σ1 = 2k1t + c01; ( 5.20)
92 111 5ÙÙÙ YYYêêêÕÕÕÅÅÅ&&&ÿÿÿììì...ïïïÄÄÄ
éééuuuNNNÈÈÈV2§§§σ2 = σmb;
d(0.5σ2) =0.5uc(σ1 − σ2)
V2dt + k2dt ( 5.21)
dσ2
dt=
ucc01 + 2k2V2
V2+
2k1uc
V2t − uc
V2σ2; ( 5.22)
½½½ÂÂÂ
a1 =ucc01 + 2k2V2
V2; a2 =
2k1uc
V2; a3 =
uc
V2; ( 5.23)
ÑÑÑdσ2
dt= a1 + a2t − a3σ2; ( 5.24)
¦¦¦)))§§§( 5.24)§§§σ2
σ2 =a1a3 − a2
a23
+a2
a3t + c02exp(−a3t); ( 5.25)
σ =u1oσ1 + u2oσ2
u1o + u2o
; ( 5.26)
ªªª¦¦¦ÑÑÑooo>>>ÇÇÇ:
R =1
σ=
u
u1oσ1 + u2oσ2; ( 5.27)
5.4.3 ¢¢¢LLL§§§
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ªªªµµµ
ka = kPP + kPMTbulb + kcirsys; ( 5.29)
kb = ka + (ksteel + ktyvek); ( 5.30)
kc = kb + kFCC; ( 5.31)
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PE(tyvekááá) 24.8 4.2
SS(ØØØCCCggg|||eee) 3.82 0.955
PMTÀÀÀæææ 0.24 0.06
FCC(ÍÍÍ%%%ÖÖÖ¡¡¡ÈÈÈ) 1.6 0.4
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SPMTbulb ∗ 0.076x
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kb = ka + (Ssteel ∗ x
Vtank+
Styvek ∗ 0.287x
Vtank); ( 5.33)
kc = kb +SFCC ∗ PFCC
Vtank; ( 5.34)
^§§§( 5.33)-( 5.32)µµµ
kb − ka = (Ssteel ∗ x
Vtank+
Styvek ∗ 0.287x
Vtank); ( 5.35)
kc − kb =SFCC ∗ CFCC
Vtank
; ( 5.36)
ÏÏÏLLLccc¡¡¡ÌÌÌ...ïïïÄÄħ§§®®®(((JJJXXXeee: ka = 0.8 × 10−3mg/(l ∗ h);
kb1 = 1.38 × 10−3mg/(l ∗ h);
kb2 = 2.05 × 10−3mg/(l ∗ h);
kb = kb1∗V1+kb2∗V2
V1+V2= = 1.61 × 10−3mg/(l ∗ h);
kc1 = 5.0 × 10−3mg/(l ∗ h);
kc2 = 6.0 × 10−3mg/(l ∗ h);
kc = kc1∗V1+kc2∗V2
V1+V2= 5.35 × 10−3mg/(l ∗ h);
±±±¦¦¦ÑÑѵµµ
x = PSS = 30ng/(cm2 ∗ h); ( 5.37)
PPP = 4.1ng/(cm2 ∗ h); ( 5.38)
PFCC = 935ng/(cm2 ∗ h) = 31 ∗ PSS; ( 5.39)
(((JJJXXXeeeLLL5.2¤¤¤«««§§§¤¤¤^ùùù«««æææÍÍÍ%%%ÖÖÖ§§§éééYYYÀÀÀ///éé駧§áááuuu~~~
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5.5. áááYYYoooNNN555ïïïÄÄÄ 99
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Material pollution value
ØØØCCCggg 1.0
MMMàààÅÅůLLL+++(PVC) 4.25
àààÅÅůLLL+++(PVC) 4.46
ÍÍÍ+++ 10.66
ùùù+++ 16.44
ÍÍÍ%%%ÖÖÖ(ØØØCCCgggþþþ¤¤¤^aaa...) 31
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ÜÜÜ©©© S/V (CCC:::) S/V (:::)
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YYY³³³SSS 0.482 0.406
ØØØCCCggg--- 0.191 0.236
||| PMT|||eee 0.532 0.422
PMT 0.0119 0.0098
PMTccc¡¡¡ÀÀÀæææ 0.03 0.025
5.5.2.1 CCC:::YYY³³³
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ÜÜÜ©©© S/V (CCC:::) ááá(config.A) ááá(config.B)
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YYY³³³SSS 0.482 ÍÍÍ%%%ÖÖÖ ØØØCCCggg
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PMT 0.0119 ààà¯LLL ààà¯LLL
PMTccc¡¡¡ÀÀÀæææ 0.03 === ===
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σtank
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( 5.40)
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3
4
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ÜÜÜ©©© S/V (CCC:::) ááá(config.A) ááá(config.B)
YYY³³³þþþµµµXXX 0.12 ààà¯LLL(PE) ààà¯LLL
YYY³³³SSS 0.406 ÍÍÍ%%%ÖÖÖ ØØØCCCggg
ØØØCCCggg--- 0.236 ÍÍÍ%%%ÖÖÖ ØØØCCCggg
||| PMT|||eee 0.422 ØØØCCCggg ØØØCCCggg
PMT 0.0098 ààà¯LLL ààà¯LLL
PMTccc¡¡¡ÀÀÀæææ 0.025 === ===
k(10−3mg/(l · h)) — 6.11 0.33
5.5.2.2 :::YYY³³³
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*cmΩ=1 M0σconfig.A*cmΩ=5 M0σconfig.A*cmΩ=1 M
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ããã 5.37: éééuuuRRRµfffUUUÌÌÌÿÿÿþþþÜÜÜ666ããã
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ADC channel200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
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ããã 5.38: 333RRRµfffBBBLLLADCþþþÂÂÂ888>>>ÖÖÖ&&&EEE
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B(x, w, σ0, α) ( 5.49)
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/ ndf 2χ 83.25 / 40mu 0.0361± 0.7165 ped 0.0± 12.1 pDelta 0.0137± 0.5494 ph.e. 0.048± 2.605 peDelta 0.035± 1.498 w 0.0281± 0.1506 A 0.0224± 0.4949
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5.6. YYY...&&&ÿÿÿìììéééuuu»»»µfffAAAïïïÄÄÄ 109
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0Q 0.7± 529.2
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/ ndf 2χ 1176 / 504 0Q 0.6± 406.9
σ 0.52± 47.17 A0 109± 1.03e+04
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ããã 5.44: ðððcccNNN 333x=40cm§§§...ÜÜÜPMTÂÂÂ111>>>fffêêê(ããã);ýýý¡¡¡PMTÂÂÂ111>>>fffêêê(mmmããã)"""
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C0 0.092± 1.529
/ ndf 2χ 737.7 / 519 0Q 0.9± 499.5
σ 0.80± 57.11
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A0 90.0± 6717
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Gaus PeakLandauBackground
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LQ 4.5± 581.3
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LQ 9.7± 477
Lσ 1.3± 21.9 LA 278.5± 1764 0C 0.106± 1.821
Gaus PeakLandauBackground
ããã 5.47: ðððcccNNN 333x=70cm§§§...ÜÜÜPMTÂÂÂ111>>>fffêêê(ããã);ýýý¡¡¡PMTÂÂÂ111>>>fffêêê(mmmããã)"""
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f(x) =A0√2πσ
e−(x−Q0)2
2σ2 + C0 + AL × Landau(x, QL, σL) ( 5.51)
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80cm)êêêâââ[[[ÜÜÜ(((JJJ§§§±±±www[[[ÜÜÜÌÌÌ111ªªª³³³êêêâââ\\\ÎÎÎÜÜÜ"""éééuuu
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0Q 1.3± 533.8
σ 1.00± 45.07 0A 194.3± 8907
LQ 6.7± 630.3
Lσ 2.32± 27.77 LA 180.8± 2140 0C 0.087± 1.707
Gaus PeakLandauBackground
/ ndf 2χ 422.1 / 408
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0Q 1.2± 396.8
σ 0.86± 38.83 0A 257± 1.172e+04
LQ 5.6± 479.8
Lσ 1.2± 22.1 LA 254.5± 2752 0C 0.135± 2.531
Gaus PeakLandauBackground
Gaus PeakLandauBackground
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70cm 476.9 581.3 15.8% 391.7 477.0 17.5%
40cm 533.8 630.3 19.4% 396.8 479.8 19.0%
-80cm 544.0 657.9 20.2% 487.9 598 20.3%
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1c 104.1± 1380 τ 1.57± 36.18
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/ ndf 2χ 3072 / 927 0t 1.7± 61.7
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MC
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Entries 9307Mean 76.73RMS 42.92
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[1] Lu Hao-Qi,YANG Chang-Gen§§§Wang Ling-Yu,Xu Ji-lei,Wang Rui-Guang,WANG Zhi-Min,WANG
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