反应堆中微子振荡中量子退相干效应的研究

Neutrino oscillation phenomenon is now firmly established thanking to the extensive experimental and theoretical studies. The last unknown mixing angle has been successfully measured by the Daya Bay reactor neutrino experiment and other contemporary short-baseline reactor neutrino experiments. The plane wave theory of neutrino oscillation is however known to be not completely consistent. Though the formula for neutrino oscillation probability commonly used is not inconsistent with current experimental data, it is of limited range of applicability due to naive plane wave assumption used in its derivation. Self-consistent treatments within quantum mechanics or quantum field theory describe the neutrino as a wave-packet of finite space-time size. Therefore the neutrino oscillation probability formula acquires important corrections due to the neutrino wave-packet leading to the quantum decoherence - loss of oscillating behavior in neutrino transformations over space and time. We plan to study the quantum decoherence effect for the first time using the Daya Bay data which has the largest statistics and evaluate its impact to sterile neutrino studies. In coming 5 years, JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) will build a reactor antineutrino detector which has unprecedented energy resolution and will observe, for the first time, multiple oscillation cycles at the best baseline. We will utilize this opportunity to investigate JUNO's sensitivity to quantum decoherence (due to wave-packet treatment) and study its potential impact to the experiment's primary goals.

中微子振荡现象经过多年不同的理论和实验研究之后已经得到完全确立。最后一个中微子混合角已由大亚湾实验及同代的其它短基线反应堆中微子实验成功测出。但是众所周知，处理中微子振荡的平面波理论并非完全自洽。虽然常用的中微子振荡公式当前同现有的实验数据并不冲突，但是它未必适用某些未来的实验条件。在量子力学或是量子场论框架内自洽的描述需要把中微子作为波包来处理。而波包则会导致中微子振荡中的量子退相干效应，破坏传播过程中的振荡行为。本研究计划利用统计量最大的短基线大亚湾实验数据对反应堆反中微子振荡的量子退相干效应进行首次实验研究，并评估退相干效應对惰性中微子研究的影响。未来5年，中等基线的江门反应堆中微子实验将建成具有最佳能量分辨率的反应堆反中微子探测器并首次观测其多次振荡的谱形。这提供了一个理想的测量退相干效应的机会。本研究将对江门实验的量子退相干效应的灵敏度进行研并评估其对并评其对江门实验的影响。

中微子振荡现象经过多年不同的理论和实验研究之后已经得到完全确立。但是众所周知，处理中微子振荡的平面波理论并非完全自洽。在量子力学或者量子场论框架内自洽的描述需要把中微子作为波包进行处理。而波包的分离、非局域化等在中微子振荡时会导致量子退相干效应，破坏传播过程中的振荡行为。本研究利用统计量最大的短基线大亚湾实验数据对反应堆反中微子振荡的量子退相干效应进行首次实验研究，在95%置信度水平上获得量子退相干效应的限制为：3.37x10-17< σwp<0.283。同时，本研究也利用江门中微子实验进行模拟分析，在95%置信度水平上获得量子退相干效应的限制为：5.58x10-17< σwp<0.0127。这个限制远好于大亚湾实验的结果，并且是当前世界上反应堆中微子实验的最好灵敏度。借助江门中微子实验平台，本研究也分析了数据统计量、谱型不确定性以及探测器能量分辨率对量子退相干效应限制的影响，同时从另一方面分析了量子退相干效应对中微子振荡参数测量等的影响。此外，本研究还模拟分析了反应堆中微子能谱上精细结构和谱型不确定性对江门中微子实验灵敏度的影响，发现精细能谱结构的影响很小而谱型不确定性的影响很大。如果使用1.5%/sqrt(E/MeV)能量分辨率的JUNO-TAO探测器测量反应堆能谱时，精细结构能够很好的测量到，但是需要尽可能好的控制探测器不确定性，来为江门中微子实验提供精确的参考能谱。最后，本研究也使用大亚湾实验数据进行了中微子束流的解谱分析以及利用江门中微子实验进行PMT测试等工作，这些工作都是未来江门中微子实验进行高质量数据采集和分析的关键。

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