1. 中国缪介子衰变中基线中微子束流实验 MOMENT 袁野 2014 年 7 月 4 日 中国科学技术大学

2. 主要内容  中微子实验介绍  国际上基于加速器的中微子实验装置情况介绍  中国高功率质子加速器装置和进展  中基线中微子束流方案  国际合作与工作开展  总结 2014-7-4 2

3. 大亚湾：  13 确定 3 2014-7-4 Sin 2 2  13 =0.089  0.010  0.00 5 7.7 σ for non-zero θ 13 Daya Bay F.P. An et al., Phys. Rev. Lett. 108, (2012) 171803 ； Chin. Phys.C 37(2013) 011001 J.K. Ahn et al., Phys.Rev.Lett. 108 (2012) 191802 Y. Abe et la., Phys.Rev. D86 (2012) 052008 RENO, Double Chooz & T2K confirmed the results at 3-5 σ

4. 中微子未解之谜 — 发现 θ 13 非零之后  中微子振荡：  中微子质量顺序是怎样的 ?  中微子振荡矩阵是否跟夸克一样有 CP 破坏？是否大到 能解释宇宙中的物质 - 反物质不对称 ？  中微子混合矩阵是幺正的吗 ？  中微子振荡角 θ 23 达到最大吗 ？  中微子的绝对质量是多少？  中微子是否是自己的反粒子？  是否存在 惰性 (sterile) 中微子？  中微子是否有反常磁矩和反常相互作用？  能否能探测到宇宙大爆炸中微子？ 2014-7-4 4

5. 未来的中微子实验  质量顺序  反应堆中微子： DBYII  大气中微子 : INO, HyperK, PINGU  长基线加速器中微子 : HyperK, LBNE, LBNO,…  CP 相角  大气中微子 : HyperK  长基线加速器中微子 : HyperK, LBNE, LBNO,…  惰性中微子  反应堆中微子： CeLAND, SoX,…  大气中微子 : Nucifer, Stereo, Solid …  长基线加速器中微子： MicroBoone, IsoDAR, Icarus/Nessie, nuSTORM… 中微子质量顺序已有很好的研究方案 中微子振荡中的 CP 破坏是未来粒子物理研究的核心之一， 中国有机会形成并实施一个有竞争力的方案 2014-7-4 5

6. 中国中微子物理：三阶段路线图 2000201020202030 DYB 2003-2012 DYB II 2012-2022 DYB III 首次确定  13 不为零 主要通过国际合作

7. 中国中微子物理：三阶段路线图 2014-7-4 7

8. 国际基于加速器的中微子实验装置情况介绍 - 加速器中微子装置现状 2014-7-4 8

9. 加速器中微子有一个很长的发展历史  1962 年： BNL/AGS ， 15GeV 质子，实验目标测量 MU 衰变的中微子（三级事件）  1990 年代： FNAL/Tevatron ， 800GeV 质子，实验 目标：中性流、中微子散射、混合角测量  1990 年代后期以来：  J-PARC: T2K ， 30 GeV 质子；  FNAL: NovA and NuMI ， 120GeV 质子  FNAL: MiniBooNE ， 8GeV 质子  CERN: CNGS, 400GeV 质子 2014-7-4 9

10. 国际上目前运行的加速器中微子束 2014-7-4 10

11. 下一代加速器中微子装置 - 超级束  2020-2025 年建成？  质子束功率要达到 1MW 以上，比现在的装置提高几倍以 上；质子能量通常都在 30GeV 以上，少数在 5GeV 以下。  探测器规模更大。  基本上是基于质子打靶产生的  或 K 衰变产生的中微子。 Proton energy (GeV) Protons per pulse Repetition period (s) Beam power (MW) CERN, CNGS+400 4.8-14  10 13 60.3-1.2 FNAL, Project-X120 9.5-15  10 13 1.51.1-2 J-PARC+30 33  10 13 3.64-1.60.6-1.5 BNL, SuperBeam28 9-25  10 13 0.4-0.11-4 CERN, FREJUS3.5 14.3  10 13 0.024 2014-7-4 11

12. 远期加速器中微子装置 - 中微子工厂  应该是 2025 年以后才会考虑建。  中微子工厂是中微子实验装置的终极，它利用高功率 质子束产生高通量的  束，对  束进行收集和冷却后再 加速到几十 GeV 量级，通过一个衰变环产生品质非常 好、强度非常大的中微子束。  美国和欧洲都研究了不同版本的中微子工厂。  除了造价高外，一些关键技术如极高功率靶、  束的 收集和电离冷却技术等也需要突破。  进一步的发展将  束能量提高到 TeV 量级，可以变为  子对撞机（一种形式的 Higgs 工厂，据说造价有优势） 2014-7-4 12

13. 目前国际上的 中微子工厂设 计方案 质子驱动器： 8-20 GeV ~4 MW 2014-7-4 13

14.  开展加速器中微子研究，高功率高能量的质子加速器是个 必须  除 MiniBooNE 外，质子能量均高于 30GeV ，束流功率大于 200kW  仍属于稀缺资源，国际上只有为数不多的几家： J-PARC/MR 、 FNAL/MI 、 CERN/SPS  国际通用办法：  加速器： 0.7-2 MW ，  束流，用于打靶的 质子能量 > 30GeV, 长 基线实验为主  探测器：水或液氩，以区分 CC/NC 中微子事例。在用  时要有磁 铁以区分电荷  迄今为止，只有  束流的具体计划，且 CP 灵敏度均不高。用  时 加速器（流强不够）与探测器（磁铁）均有问题。  我们的基本思路：  低能：降低研制难度和造价  利用 ADS 加速器（ 15 MW ），有效利用人力物力  近距离  减少发散损失，提高有效流强 2014-7-4 14

15. 中国高功率质子加速器项目介绍 - 中国散裂中子源 2014-7-4 15

16. CSNS 基本情况介绍  CSNS 是我国到目前为此国家批准建设的最大科学研 究设施，主要用于基于中子散射技术的物质结构研 究，是多学科研究的大型平台。  里程碑 :  2001: 概念提出  2001-2004: 概念设计 (2005: 国务院原则批准 )  2005-2011: 技术设计、预制研究 (2008: 正式批准 )  2011.9-2018.3: 工程建设 ( 直线安装 : 2013.8  )  2018.3: 竣工验收 ( 一期工程 )  经费  约 20 亿元，其中发改委 11 亿，广东省提供其余和场地 2014-7-4 16

17.  装置地 : 广东东莞市大朗镇  高能所已设立东莞分部  已有约 200 职工长期在东莞分部工作，东莞分部 最终将有 400 人的正式编制。 2014-7-4 17

18. 装置用地 东莞市提供 1000 亩的装置用地，其中 400 亩用于一期工程建设。 2014-7-4 18

19. 19 CSNS 园区布局 ( 一期 ) 2014-7-4 19

20. CSNS 将分期建设，一期工程建造 100kW 的质子加速器、 一个靶站和至少 3 台谱仪。 加速器有升级潜力，最终可达到 500kW 。 中子散射以外的其它应用也在考虑和安排之中，如质子束 应用、白光中子源应用、  子源应用等。 潜在的高能加速器发展空间也在设计之初进行了考虑。 2014-7-4 20

21. ADS 先导专项 CW 连续波超导直线加速器 2014-7-4 21

22. 中科院科技战略先导专项 - 先进裂变核能  钍基熔盐堆（ TMSR ） - 扩大核燃料供应 ( 钍资源更丰富，分布更广）  加速器驱动的次临界系统 （ ADS ） - 处理长寿命核废料  ~2032, - 工业示范装置 2014-7-4 22

23. Schematic of C-ADS Proton Neutron 直线加速器 (IHEP, IMP) 固态小珠靶 (IMP) 次临界堆 (PbBi 冷却 ) (INEST, USTC) 2014-7-4 23

24. ADS 先导专项发展路线图 Injector 1 Injector 2 2013 ~5 MeV 2015 25~50 MeV 201X ~250 MeV ~2022 0.6~1 GeV ~2032 1.2~1.5 GeV 5~10 MW t 100 MW t ≥1 GW t key tech. R&D Acc. & target & reactor prototype Research Facility Exp. Facility Demo Facility 10 MeV Phase I (2011-2015) Phase II (2016-201X) Phase III (201X-2022) Phase IV (2023-2032) 2014-7-4 24

25. ADS 超导直线加速器的特点  连续波的高功率质子直线加速器，国际上尚无建 造和运行的经验。  除低能端的 RFQ 外，其余均采用超导加速结构， 其中 Spoke 国际上也没有运行的经验。  平均束流功率比目前国际上最高的加速器高一个 量级以上。  要有非常严格的束流损失控制，高能端 10 -8 /m  需要满足非常严格的可靠性要求  关键部件的裕量  在线允余部件  部件失效的可容忍性 2014-7-4 25

26. ADS 加速器设计方案框架 主加速器 ‘ 热备份 ’ 局部补偿方法 需要采用两个相同的在线注入器， 或者采用方案 1 或方案 2 2014-7-4 26

27. 加速器预制研究 (Phase I)  总经费约 18 亿，其中 6.4 亿用于加速器的预制研究  2011-2016  物理设计和技术设计  发展连续波的 RFQ 、超导腔（ spoke, HWR 和椭圆腔）  5/10MeV 试验段， CW 束流测试  基础设施建设（低温系统、超导实验室等） 2014-7-4 27

28. 基于 ADS 型加速器的中基线中微子实验装置 MuOn-decay MEdium-baseline NeuTrino beam facility 2014-7-4 28

29. 测量 CP 的最佳中微子能量是多少 ?  At IPAC13, 王贻芳提出 : ~ 300 MeV  baseline = 150 km  虽然由于较低的截面导致损失了统计性，但是由于没有  0 从而避免了本底 2014-7-4 29

30. 一般性考虑  借助 ADS 先导专项所发展的 CW 超导直线质子加速器技 术，我们提出建设一个基于该类型加速器的中微子超级 束装置，作为大亚湾 II 期之后中国中微子物理研究的新 实验平台。  CSNS 园区距大亚湾 II 期选址约 150 km ，比较适合作为 加速器装置的位置。.  束流功率为 15 MW 、能量为 1.5 GeV 的质子束经研究比 较适合用来产生高强度的几百 MeV 的中微子束，以开展 中基线的中微子实验研究。  采用直流 muon 束衰变中微子而不是国际上通常采用的 脉冲  束衰变中微子。 2014-7-4 30

31. 基本方案设计参数  中微子能量 : 300 MeV  靶到探测器距离 : 150 km  质子束能量 : 1.5-2.0 GeV  质子束流强 : 10 mA  质子束脉冲特性 : CW (325 MHz)  打靶质子量 : 1.1  10 24 (POT/Y)  中微子类型 2014-7-4 31

32. MOMENT 基本方案示意图 Detector 2014-7-4 32

33. 加速器方案  采用类似于 ADS 先导 专项的设计方案，但去掉 ADS 应用所特别要求的极高可靠性设计，可以进行 大大减小加速器的造价（约 1/4  1/3 ）  1 台常温 RFQ 、 12 只超导 Spoke012 腔、 36 只超导 Spoke021 腔、 42 只超导 Spoke040 腔、 30 只超导椭 圆腔 Ellip063 和 75 只超导椭圆腔 Ellip082 ，共需要 195 只超导腔，加速器总长度约 300 m 。 2014-7-4 33

34. 靶和  束收集传输设计  靶：液态汞靶  超导螺线管：用于收集和传输  束和  束  主螺线管： 14Tesla  3 个匹配螺线管： 14-3 Tesla  弯转段： (85 个超导螺线管, ~50 m) : 3 Tesla   束衰变通道 : ~600 m (FODO 透镜, 超导螺线管, 或 FFAG 磁铁 ) ( 衰变率 : ~35%) 2014-7-4 34

35. 中微子通量  2014-7-4 35

36. 中微子超级束的主要技术难点  CW 超导直线加速器是国际上尚没有的，很多技术问题 和设计方法需要在 ADS 先导专项的开展过程中进行解决。 在欧洲，有 MYRRHA 项目；在美国，有 Project-X (PIP-II) 在发展类似的技术  15MW 功率对靶站系统的热负载和辐射损伤带来巨大挑 战，如何实现是国际前沿课题  探测器部分到目前为止重点在研究 Water Cherenkov 探 测器，但没有发现有优势。有可能需要采用新的探测 器，也应该考虑加磁场的探测器结构（如 NF 研究的 MIND 或 LBNE 采用的 LAr ） 2014-7-4 36

37. 靶  目前还没有固体靶证明能够承受数兆瓦束流轰击  在 CERN PS 进行的 MERIT 实验表明液态喷射水银 靶能够在重复频率 70Hz 下承受 8MW 束流功率  其它可能的方案包括 RaDIATE 正在研究的流化钨粉 以及中国 ADS 提出的钨小珠靶 2014-7-4 37

38. 粒子俘获系统 P T  R  B  R 2 = Constant 2014-7-4 38

39. 热沉积与辐射损伤  模拟表明需要至少 80cm 厚的钨屏蔽才能将磁铁的 热沉积降到可接受的水平  大口径，高磁场磁铁的设计建造是工程上巨大的 挑战  中子剂量 6  10 21 /m 2 ，仅仅略低于 ITER 研究中给 出的 10 22 /m 2 限值 2014-7-4 39

40. 国际合作与工作开展 2014-7-4 40

41. MUSIC 验证了粒子俘获系统的可行性，俘获效率为传统方法的 1000 倍。其设计与经验应用于 COMET 实验设计于建造之中。 我们自 2011 年起加入 COMET 合作组并于 2013 年得到自然科学 基金重点项目支持 参加 COMET 实验 2014-7-4 41

42. Starting in 2020 Measurement in 2022 S.E.S=3 X 10 -17 参加 COMET 实验 Pion Capture Section Has a high(5T) magnetic field to collect the low momentum, backwards travelling pions Electron Spectrometer Allow us to momentum and charge select the 105 MeV electrons Transport Section Long enough so that pions decay to muons, curved so can momentum and charge select particles Detector Straw tube tracker and ECAL 2014-7-4 42

43. 与 LBNE 的合作  FNAL 正集中主要资源建设 LBNE 项目，他们需要广泛的国 际合作来补充经费的不足和提高其作为国际主要装置的影 响力。  我们同 LBNE 合作一方面是对国际性项目的贡献；另一方 面，通过参与，我们可以培养人才和掌握相关技术和经验。  2013 年 11 月初，我们访问 FNAL 期间与 LBNE 的有关领导进 行了很有成效的交流，双方对在中微子束线相关的工作上 开展合作表示了意愿，并得到了双方所长的支持。  2013 年底得到中美高能物理合作基金支持  2014 年 4 月， MOMENT 组的部分高能所同志（ 6 人）访问 FNAL ，讨论了合作细节和建立了技术人员交流的管道。双 方同意高能所 /MOMENT 申请成为 LBNE 的正式合作方 2014-7-4 43

44. 在 CSNS 试验型  子源上开展预制研究 2014-7-4 44

45. MOMENT 工作安排  先期开展了两年多的调研、模拟、概念设计  2014-6-12 召开第一次全体会议，现合作组共有来 自高能所、近物所、物理所、国科大、四川大学、 明尼苏达大学等 36 位成员  分为 3 个组，进行关键技术预制研究：  加速器（质子驱动器、次级束衰变通道）  靶站及相关技术（靶站总体、 MC 模拟、靶系统、超导 磁铁、材料抗辐射研究）  探测器和物理分析（远点和近点探测器、物理目标和 前景） 2014-7-4 45

46. 总结  大亚湾中微子实验结果对中国高能物理研究特别是 中微子物理是一个很大的促进，前途看好。  两个在建的高功率质子加速器不仅对其主要的应用 对象是非常有利的，也为在中国建造具有国际竞争 力的基于加速器的中微子超级束装置提供了很好的 机会和可能性。  基于加速器的中微子设施设计研究才刚刚开始，需 要从国际上学习，也需要大家积极献计献策。  相关预制研究的开展需要各方面的支持和参与 2014-7-4 46

47. 2014-7-4 47