导读：经过近十年的不懈努力，江门中微子实验(Jiangmen Underground Neutrino Observatory, JUNO)于2024年底已完成了主体建设。这台世界上最大的液体闪烁体探测器即将启动，旨在解决中微子质量顺序等粒子物理基本问题。JUNO中心探测器的能量分辨率决定了JUNO测量中微子质量顺序的灵敏度水平。然而，这项实验前所未有的能量分辨率使得一些过去被忽略的效应变得显著，如液体闪烁体的电离淬灭效应、切伦科夫辐射等。这些效应会导致可见能量的额外涨落，从而降低探测器的能量分辨率。《中国物理C》2025年第1期的封面文章深入研究了影响JUNO探测器能量分辨率的潜在因素，对其中的关键参数给出了严格限制，并将所有效应对能量分辨率的贡献进行了逐一分解。最终，该研究预期JUNO的能量分辨率可以达到2.95%@1MeV，满足其测量中微子质量顺序的要求(<3%@1MeV)。这项研究不仅为JUNO的物理分析提供了重要参考，也可为其他液体闪烁体探测器的性能研究提供指导。
江门中微子实验
JUNO位于广东省江门市，是新一代大型反应堆中微子振荡实验，其核心物理目标是通过精确测量反应堆中微子能谱，来确定中微子的质量顺序和精确测量中微子振荡参数。JUNO探测器的整体结构如图1(a)所示，它包括3个子探测器，即水切伦科夫探测器、顶部径迹探测器和中心探测器。其中，中心探测器是测量反应堆中微子的关键单元，其核心是一个直径35.4 m的有机玻璃球，内部灌满了2 万吨液体闪烁体（简称液闪）作为探测中微子的靶物质。为了尽可能地提高探测器的能量分辨率，有机玻璃球的周围排布了17612只20英寸光电倍增管（PMT）和25600只3英寸PMT来收集液闪发出的闪烁光和切伦科夫光，光阴极覆盖率达到了78%。
图 1 JUNO探测器：(a) 探测器示意图，JUNO由3个子探测器组成，即水切伦科夫探测器、顶部径迹探测器和中心探测器；(b) 探测器安装现场照片，拍摄于2024年11月。
图1(b)拍摄于JUNO施工现场，照片中心即为JUNO的中心探测器。截至目前，JUNO已经完成了探测器的主体建设，并于2024年12月18日正式启动了纯水灌注工作。在经历2个月的灌水和6个月的液闪置换之后，预计将于2025年8月迎来正式的物理取数。
JUNO选址于阳江和台山核电站的中轴线上，核反应堆产生的反电子型中微子在经过~53 km的传播之后到达JUNO中心探测器，有极小的概率与液闪中的自由质子发生反贝塔衰变(Inverse beta decay, IBD)反应 。其中，正电子会迅速在液闪中沉积能量并导致液闪发光，形成快信号；中子在经过慢化后会被探测器中的氢核或碳核俘获（~ 200μm ）并释放光子 ，形成慢信号。由于正电子质量相对中子轻得多，它会携带走电子型中微子的绝大部分动能，因此，测量电子型中微子能谱的关键在于测量正电子的能量。图2中的蓝线和红线显示了JUNO在不同质量顺序假设下，探测到的反应堆中微子预期能谱。由此可见，探测器必须具备足够高的能量分辨率，才能区分能谱中的振荡结构，进而确定中微子的质量顺序。
图 2 不同假设下JUNO的预期反应堆中微子能谱。蓝线：正质量顺序，红线：反质量顺序。
液闪探测器的能量分辨率来源
图 3 光的产生、传播、探测以及刻度和重建过程中影响能量分辨率的因素。
液闪探测器对正电子的探测过程可以分为如下步骤：
1. 正电子通过电离和激发，将动能传递给液闪中的电子；
2. 当正电子动能几乎耗尽时，会与液闪中的电子发生湮灭，产生两个0.511 MeV的光子;
3. 光子通过康普顿散射和光电效应进一步将能量传递至液闪中的电子；
4. 液闪发出切伦科夫光和闪烁光；
5. 光子经过传播、瑞利散射、吸收、重发射、边界反射和折射等一系列光学过程，有一定几率击中PMT并被探测到；
6. PMT将光信号转化为电信号，经由电子学系统读出。
不同位置和能量的正电子会导致不同的探测器响应；反之，探测器的响应信息也可用来重建正电子事例的位置和能量。为了修正能量响应的非线性和非均匀性，JUNO设计了一套完善的刻度策略，能够将不同类型的放射源放置于探测器的不同位置，从而获得探测器响应对能量和位置依赖关系。最终，JUNO采用数据驱动的极大似然函数方法同时重建事例的位置和能量，所得信息被用于中微子质量顺序的分析之中。
能量分辨率反映了探测器对入射粒子能量的测量精度。过去，基于液闪的大型中微子实验通常将探测器的能量分辨率归因于光电子(PE)数目的统计涨落，这在光产额较低的实验中是一个良好的近似。然而，JUNO的预期光产额约为1665 PE/MeV，远高于其他同类型实验（例如KamLAND: 240 PE/MeV, Borexino: 500 PE/MeV, Daya Bay：162 PE/MeV）。
此时，仅考虑PE数的统计涨落无法准确估计探测器的能量分辨率，还需要充分考虑其他次级效应对能量分辨率的影响。图3总结了影响液闪探测器能量分辨率的所有因素，涵盖了光的产生、传播和探测过程。由此可见，液闪探测器的能量分辨率不仅受到液闪发光的微观机制影响，还受到液闪光学性质、PMT和电子学响应等宏观因素的影响；同时，一套完善的刻度策略和能量重建算法也是提升探测器能量分辨率的关键。
JUNO能量分辨率预期及分解
近期，JUNO合作组利用全链条模拟（包括探测器模拟和电子学模拟）、刻度和重建对上述所有效应进行了评估：①使用Geant4模拟带电粒子与液闪的电磁相互作用过程；②分别为液闪和PMT构建了光学模型，描述光子的产生、传播和探测过程；③结合批量测试数据，精确建模PMT和电子学系统的响应；④优化刻度策略和重建算法。特别地，文章结合一系列桌面实验数据、借助Daya Bay实验的 能量非线性数据和蒙特卡洛模拟，对影响探测器能量分辨率的关键参数，包括闪烁光绝对产额、Birks常数、切伦科夫光比例等，进行了严格限制。图4展示了在新的液闪参数下，Daya Bay实验能量非线性与 刻度数据的模拟结果，二者均与实验数据吻合。
图 4 使用新的液闪参数对Daya Bay实验的能量非线性(a)和 能标数据(b)模拟结果。
此外，文章将各个效应对能量分辨率的贡献进行了分解，如图5所示。其中，图5(a)代表探测器中心的 事例能量分辨率曲线，除了光子数统计涨落的贡献以外，还受到电离淬灭效应和切伦科夫辐射的影响。图5(b)则显示了探测器内均匀分布的正电子事例的能量分辨率曲线，获得了事例顶点重建、PMT暗噪声、波形重建、单光电子分辨率等因素对能量分辨率的贡献。最终，该研究给出了JUNO中心探测器中均匀分布的 事例的能量分辨率为2.95%@1MeV.
图 5 能量分辨率分解。(a) 电离淬灭效应和切伦科夫辐射的贡献；(b) 探测器非均匀性、PMT和电子学响应的贡献。
小结
本研究详细分析了影响液体闪烁体探测器能量分辨率的所有因素，并结合JUNO探测器建设阶段的已知信息，预测其中心探测器 能量分辨率为2.95%@1MeV。该研究不仅为JUNO的中微子质量顺序分析提供了支撑，同时也为其他液闪探测器的性能研究与优化提供了重要参考。2025年，JUNO实验将正式运行。届时，结合实验数据，我们有望对液闪探测器的性能有更深入的理解。JUNO实验也将为未来的中微子研究提供新的可能与机遇。
作者介绍：
王耀光, 山东大学物理学院助理研究员。2015年加入JUNO实验，现担任刻度分析组联合负责人。研究方向包括PMT光学响应模型，液闪探测器能量非线性与能量分辨率，以及无中微子双贝塔衰变实验中的宇生同位素本底等。
曹国富，中国科学院高能物理研究所研究员。从事大型高能物理实验20余年，先后参与了多个对撞机实验和中微子实验项目，包括Belle II, BESIII, Daya Bay, nEXO和JUNO等，担任多个实验光电探测器系统和模拟仿真系统负责人。
罗武鸣，中国科学院高能物理研究所副研究员。长期从事大型高能物理实验，先后参与CMS和JUNO实验。目前担任JUNO实验事例重建系统负责人,反应堆中微子物理分析以及大气中微子物理分析的核心成员。
编辑｜花明