[論文レビュー] Measurement of atmospheric muon angular distribution using a portable setup of liquid scintillator bars

Hariom Sogarwal, P. Shukla|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 20被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、二重端ピエゾマルチプライヤー読み出しと8チャンネルデジタイザを用いた、携帯性のある4本の液体シンチレーター棒を用いた装置を提案する。この装置により、ムーオンの空間的分布とフラックスを測定する。エネルギー損失、正確な時間測定、パルス形状識別（PSD）を組み合わせることで、2次元のムーオン軌道を再構成し、ムンバイ（インド）の海面付近で、255 MeV/cの運動量しきい値を満たす条件下で、垂直方向のムーオンフラックスを66.70 ± 0.36（統計）± 1.50（系統）/m²/sr/s、仰角依存性をcosⁿθ（n = 2.10 ± 0.05（統計）± 0.25（系統））として測定した。

ABSTRACT

Measurements of cosmogenic particles at various locations and altitudes are becoming increasingly important in view of worldwide interests in rare signals for search of new physics. In this work, we report measurement of muon zenith angle distributions and integrated flux using a portable setup of four one-meter long liquid scintillator bars. Each scintillator bar is read out from both sides via photomultiplier tubes followed by an 8-channel Digitizer. We exploit energy deposition and excellent timing of scintillators to construct two dimensional tracks and hence angles of charged particles. We use liquid scintillators since they have an added advantage of pulse shape discrimination (PSD) which can be used for detecting muon induced particles. The energy deposition, time window of event and PSD cuts are used to reduce the random as well as correlated backgrounds. In addition, we propose three track quality parameters which are applied to obtain a clean muon spectrum. The zenith angle measurement is performed upto $60^\circ$. With our improved analysis, we demonstrate that a setup of 3 bars can also be used for quicker and precise measurements. The vertical muon flux measured is $66.70 \pm 0.36 \pm 1.50$ $/m^2/sr/s$ with $n=2.10 \pm 0.05 \pm 0.25 $ in $\cos^n heta$ at the location of Mumbai, India ($19^{\circ}$N, $72.9^{\circ}$E) at Sea level with a muon momentum above $255$ MeV/$c$. The muon flux has dependence on various factors, the most prominents are latitudes, altitudes and momentum cut of muon so that portable setup like this can be a boon for such measurements at various locations.

研究の動機と目的

• さまざまな地理的場所で大気ムーオンの空間的分布とフラックスを測定するための、携帯性がありコスト効率の良い装置の開発。
• 液体シンチレーターにおけるエネルギー損失、時間分解能、およびパルス形状識別（PSD）を用いたバックグラウンド抑制の向上。
• 検出器の幾何構造と軌道再構成の最適化により、60°までの仰角カバー範囲を高角分解能で拡大。
• 3本のシンチレーター棒を用いた構成が、迅速かつ正確なムーオンフラックス測定の可能性を検証。
• cosⁿθ分布におけるムーオンフラックスおよびスペクトル指数nの系統的不確かさ予算を提供し、世界的な測定結果との比較を可能に。

提案手法

• 4本の1メートル長の液体シンチレーター棒を、両端からピエゾマルチプライヤー（PMT）で読み出し、8チャンネルデジタイザを用いて時間およびエネルギー情報を記録。
• PMT間の飛行時間差を組み合わせることで位置分解能を達成し、エネルギー損失を用いて粒子識別を実現することで、ムーオン軌道を再構成。
• バックグラウンドを抑制するため、パルス形状識別（PSD）を適用し、ミューオンに類似したパルスと非ミューオンイベントを区別。
• 低品質な軌道をフィルタリングし、ムーオンスペクトルの信号純度を向上させるために、3つの新規な軌道品質パラメータを導入。
• 垂直方向の宇宙線ミューオンを用いたクロス幾何構造での位置校正を実施し、時間-位置校正を最小限の系統的誤差で最適化。
• 測定されたエネルギー分布を用いたモンテカルロシミュレーションにより、各検出器構成における幾何的受容率および効率補正を計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4本の1メートル長の液体シンチレーター棒を用いた携帯式装置が、60°までの仰角まで正確にムーオンの空間的分布を測定できるか。
• RQ2 液体シンチレーターを用いたムーオンフラックス測定において、パルス形状識別（PSD）が信号対雑音比をどの程度向上させるか。
• RQ3 検出器の幾何的構造の変化（例えば、バー間隔や検出器の向き）が、測定されたムーオンフラックスおよびcosⁿθ分布におけるスペクトル指数nに与える影響は。
• RQ4 3本のバー構成が、4本のバー構成と同等の精度を達成できるか。これにより、より迅速かつ容易に測定が可能になるか。
• RQ5 ムーオンフラックスおよびスペクトル指数測定における主な系統的不確かさ要因は何か。それらはどのように定量されるか。

主な発見

• ムンバイ（19°N, 72.9°E）の海面付近における垂直方向ムーオンフラックスは、255 MeV/cの運動量しきい値を満たす条件下で66.70 ± 0.36（統計）± 1.50（系統）/m²/sr/sと測定された。
• 仰角分布はI(θ) = I₀cosⁿθに従い、n = 2.10 ± 0.05（統計）± 0.25（系統）であり、ムーオンの運動量および地球磁気的緯度に強く依存していることが示された。
• 装置は、下向きと上向きのムーオン軌道を明確に区別でき、方向性の感度とバックグラウンド抑制を実現した。
• 10種類の異なる検出器構成（幾何的変更、検出器の入れ替え、時間-位置校正の変更など）を用いることで系統的誤差を最小限に抑え、フラックスでは全体で2.2%、nでは12%の系統的誤差に抑えた。
• 本研究では、3本のバー構成が、迅速かつ正確なムーオンフラックス測定を可能にすることが示された。これにより、設置時間と複雑さが削減された。
• 本研究の測定フラックスは、以前のRPCベースの測定（Palら、2017年）よりも高いが、255 MeV/cのしきい値が280 MeV/cよりも低いためであり、系統的不確かさが低く抑えられているにもかかわらず、誤差範囲内で一致している。