下一代大科学装置上的中微子物理 ——惰性中微子和退相干研究

论文摘要

本文研究了下一代中微子实验相关的若干物理。论文首先研究了中国加速器驱动嬗变研究装置CiADS装置上产生中微子的最优方案。CiADS是近代物理研究所原创提出的加速器驱动先进核能系统,该项目已于广东省惠州市开始建设。该装置上产生的大量中微子可以用来研究许多实验物理问题,其中一个非常重要的研究就惰性中微子物理问题。惰性中微子模型广泛应用于解释中微子物理的许多反常实验现象。论文首先研究了束流打靶并产生大量散裂中子这样一类实验装置。考虑在靶的周围放置一个转换器,该转换器能够吸收靶释放的散列中子并产生84),并同时产生大量中微子。传统的实验中改转换器通常使用的是金属锂,本论文根据实际研究提出并设计了一类新的转换器。此外,论文还提出在靶和转换器之间放置一个间隔,从而有效减少实验靶反冲带来的中子损失。通过FLUKA和Geant4模拟,本文考虑了不同的靶材料和转换器材料以及靶和转换器的形状。研究发现,我们提出的最优设计方案相比传统设计方案在转换器的尺寸和成本能够降低一个数量级,同时中微子的产额能够提高两倍。另一方面,江门中微子实验(JUNO)等下一代中微子物理实验,对中微子量子退相干性具有前所未有的灵敏度。中微子退相干性是由一系列不同物理效应产生,这些物理效应能够大大减小中微子振荡的振幅。因此,对这些隐藏在中微子产生和探测物理后的中微子退相干性产生机制的研究是非常重要的;传统的研究方法则通常是把中微子产生源和探测器看做成一个统一的外源,而这与实际的物理并不一致。本论文第一次在量子场论的框架下将中微子产生外源和探测器分别看做成独立的能够传播和相干的动力学场并且做了许多新的计算,得到了许多新的物理结果。比如,我们发现中微子退相干性是由于一些特定的相互作用所导致,这些相互作用能够区分源粒子产生中微子之前和之后产生的状态,使得退相干性减小了一个数量级;我们还发现大亚湾中微子实验研究对中微子退相干性解释中所采用的洛伦兹协变波包在含时演化过程中是不稳定的。

论文目录

摘要

abstract

Chapter 1 Physics of Neutrinos

1.1 A little history

1.1.1 A desperate remedy

1.1.2 Detecting the Neutrino

1.1.3 Neutrinos and Symmetry

1.1.4 History of Neutrino Oscillations

1.2 Neutrinos in pre-gauge theories of weak interactions

1.2.1 First attempt:Fermi’s theory of beta-decay

1.2.2 The two-component Theory

1.2.3 The V-A structure of the Weak Interaction

1.3 The Unified Electroweak Theory and The Standard Model

1.3.1 Gauge invariance as a fundamental cosmic principle

1.3.2 QED

1.3.3 Non-Abelian gauge theories

1.3.4 The Unified Electroweak theory

1.3.5 Spontaneous Symmetry Breaking

1.3.6 The Glashow-Weinberg-Salam theory

Chapter 2 Theories of Neutrino mass

2.1 Neutrinos are special

2.2 Dirac mass term

2.3 Majorana mass term

2.4 The see-saw mechanism

Chapter 3 Theory of Neutrino Oscillations

3.1 Motivation

3.2 Oscillations in Vacuum

3.3 Oscillations in Matter

3.4 Three-Neutrino Oscillations

Chapter 4 Neutrino Oscillation Experiments

4.1 What do we need to measure?

4.1.1 Techniques for Neutrino Detection

4.2 Neutrino Oscillation Experiments

4.2.1 Solar Neutrino Experiments

4.2.2 Atmospheric Neutrino Experiments

4.2.3 Reactor Neutrino Experiments

4.2.4 Accelerator Neutrino Experiments

4.3 Global Analysis of Oscillation Data

4.4 Short Baseline Experiments,Anomalies

4.4.1 LSND anomaly

4.4.2 The Reactor Anomaly

4.4.3 The Gallium Anomaly

Chapter 5 Search for Light Sterile Neutrinos with Iso DAR

5.1 Why Sterile Neutrinos?

5.1.1 Phenomenology of Sterile Neutrinos

5.2 Experimental search for light sterile neutrinos

5.2.1 Global 3+1 analysis of SBL experiments

5.3 IsoDAR

5.3.1 Our Modifications

Chapter 6 Neutrino Oscillations:QM vs QFT

6.1 Oscillations in QM

6.1.1 Neutrinos as plane waves

6.1.2 Problems with the plane wave approach

6.1.3 The intermediate wave packet approach

6.2 Oscillations in QFT

6.2.1 The external wave packet approach

6.2.2 Covariance of the wave packet state

6.2.3 Our comment on the covariance issue

Chapter 7 Entanglement and Decoherence in Neutrino Oscillations

7.1 Entanglement

7.1.1 Quantum Decoherence

7.2 Neutrino Oscillations,again

7.3 Our Approach

7.3.1 The Model

7.3.2 Our Results

7.3.3 Conclusion

7.4 A Model with Measurement

7.4.1 The modified model

7.4.2 Results

Chapter 8 Conclusions and Outlooks

8.1 IsoDAR

8.2 Covariance of wave packets

8.3 A QFT model for neutrino production

8.4 A model with measurement

References

Resume and publications

Acknowledgements

Appendix 下一代大科学装置上的中微子物理:惰性中微子和退相干研究

1 中微子物理

2 中微子质量的理论

3 中微子振荡理论

4 中微子振荡实验

5 通过ISODAR寻找惰性中微子

6 中微子震荡物理研究:量子学和量子场论方法

7 中微子震荡物理中的相干与退相干问题

8 总结与展望

8.1 ISODAR

8.2 协变波包

8.3 通过量子场论方法研究中微子产生

8.4 考虑实际测量的模型

文章来源

类型: 博士论文

作者: Hosam Mamouh Abdelazeem Mohammed

导师: Jarah Evslin（杰尔）

关键词: 中微子物理,大科学装置,惰性中微子,退相干

来源: 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)

分类号: O572.321

DOI: 10.27560/d.cnki.gkjwc.2019.000005

总页数: 318

文件大小: 20647k

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