基于江门中微子实验超新星中微子的相关问题研究

摘要

迄今为止人类唯一一次观测到的少量超新星中微子事例来自于大麦哲伦云的SN1987A，该事件标志着中微子物理和中微子天文学进入了一个新的里程。目前世界上很多正在运行或者在建的中微子探测器对核心坍缩机制的超新星爆发中微子有了更好的探测能力，可以提供更大的统计量、更高的能量分辨率以及更准确的中微子味道信息。
　　作为未来大型液闪探测器的其中一个，江门地下中微子实验(JUNO)的中心探测器设计拥有20kt的液体闪烁体。对于10kpc处且拥有典型参数的核心坍缩超新星，JUNO实验可以观测到5000个来自反贝塔衰变(IBD)的事例、2000个中微子-质子弹性散射(pES)事例、超过300个中微子-电子弹性散射(eES)事例和中微子作用到12C上的带电流与中性流事例。
　　本论文提出了利用奇异值分解(Singular Value Decomposition)的反解算法实现大型液闪探测器中不同反应道超新星中微子能谱的重建。然后结合IBD反应道和其他两个弹性散射道y+p→v+p、y+e-→v+e-，还可以实现不同味道中微子能谱的分离。本论文还利用不同组的数值超新星中微子模型对重建算法的模型无关性进行了检验。
　　超新星是少见的天文学事件，这就要求一旦产生超新星爆发，JUNO探测器需要尽可能多的记录下超新星中微子的相关信息。因此本论文给出了利用IBD反应道进行JUNO实验的在线超新星触发的方案建议。该方案利用模拟数据给出了SN IBD事例的筛选标准，以及电子学实现的逻辑思路。由于现在JUNO的电子学设计还未完全确定，本论文还讨论了如何选取方案中的参数和相应情况下的超新星误触发率以及超新星触发效率。基于该触发方案，JUNO实验可以满足SNEWS对于加入实验的超新星误触发率的要求，而且也可以实现对于类似SN1987A距离的超新星的触发，对于100kpc量级的超新星也具有触发能力。
　　一旦有超新星事例被触发，JUNO实验除了可以记录超新星中微子的能谱信息，也可以提供相应的时间分布信息。论文中对应Garching组的超新星中微子数值模拟，给出了不同味道中微子的源处超新星中微子数时间分布的参数化模型。由于当前超新星的模拟需要耗费大量的时间和计算资源，该参数化模型可以更便捷的用于超新星中微子时间分布的相关唯象研究。

目录

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图目录

摘要

第1章 引言

1．1 中微子

1．2 超新星

1．2．2 超新星分类

1．2．3 超新星产生率

1．3．1 SN1987A

1．3．2 超新星爆发中微子

1．3．3 超新星背景中微子

1．4 论文结构

第2章 江门中微子实验

2．1 探测器设计

2．2 中微子质量顺序测量

2．3 超新星爆发中微子的探测

2．3．1 现在和未来超新星中微子的探测

第3章 超新星中微子在液闪中的模拟

3．1．2 超新星中微子数值模型

3．1．3 味道转换后的超新星中微子能谱

3．2．2 中微子-质子弹性散射

3．2．3 中微子-电子弹性散射

3．2．4 中微子-12C相互作用

3．4 模拟结果

3．5 本章小结

第4章 超新星中微子在液闪探测器中的能谱重建

4．1 理想的能谱重建方法

4．2 真实的能谱重建方法

4．2．1 SVD反解方法

4．2．2 RooUnfold软件包

4．3 重建结果

4．3．1 能谱反解结果

4．3．2 不同味道的超新星中微子能谱分离

4．4 超新星模型无关性检验

4．5 本章小结

第5章 江门实验中在线超新星触发方案的研究

5．1．1 SN IBD事例判选

5．1．2 在线超新星触发的电子学逻辑

5．2 触发参数选择

5．2．1 SN IBD本底信号估计

5．2．2 TSN和Nthr参数的选取

5．3 超新星触发示例

5．3．1 超新星触发过程模拟

5．3．2 误触发率和触发效率检验

5．4 本章小结

第6章 超新星源处中微子通量的时间谱形参数化

6．2 参数化模型假设

6．3．1 vx谱形参数化

6．3．2 (v)e谱形参数化

6．3．3 ve谱形参数化

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．2 展望

附录

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果