[論文レビュー] Measurement of Neutron Background at the Pyhasalmi mine for CUPP Project, Finland

J. N. Abdurashitov, В. Н. Гаврин+5 more|ArXiv.org|Jul 20, 2006

Nuclear Physics and Applications参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、フィンランドのピハサルミ鉱山における複数の深度（400–1410 m）で低エネルギー中性子背景を測定し、液体シンチレーション剤と3He比例計数管を用いた独自の中性子スペクトロメータを用いた。主な結果として、熱的から25 MeVまでのエネルギー範囲における中性子フラックスの詳細な測定が得られ、ウラン・トリウム崩壊系列とミューオン誘発スパルタションによる影響で、深度が増すにつれてフラックスが顕著に増加することが判明した。特に1410 m深度では0–1.5 MeV範囲で最大42.2 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹のフラックスが測定された。

ABSTRACT

A natural neutron flux is one of significant kind of background in high-sensitive underground experiments. Therefore, when scheduling a delicate underground measurements one needs to measure neutron background. Deep underground the most significant source of neutrons are the U-Th natural radioactive chains giving a fission spectrum with the temperature of 2-3 MeV. Another source is the U-Th alpha-reactions on light nuclei of mine rock giving neutrons with different spectra in the 1-15 MeV energy region. Normal basalt mine rocks contain 1 ppm g/g of U-238 and less. Deep underground those rocks produce natural neutron fluxes of 10^{-7} - 10^{-6} cm^{-2}s^{-1} above 1 MeV. To measure such a background one needs a special techniques. In the Institute for Nuclear Research, Moscow, the neutron spectrometer was developed and built which is sensitive to such a low neutron fluxes. At the end of 2001 the collection of neutron data at the Pyhasalmi mine was started for the CUPP project. During 2002 the background and rough energy spectra of neutron at underground levels 410, 660, 990 and 1410 m were measured. The result of the measurement of the neutron background at different levels of the Pyhasalmi mine is presented and discussed. Data analysis is performed in different energy ranges from thermal neutrons up to 25 MeV and above.

研究の動機と目的

• 深地中環境における中性子背景フラックスを測定し、感受性の高い物理学実験を支援すること。
• 自然由来のウラン・トリウム放射性崩壊系列およびミューオン誘発スパルタションが中性子背景に与える寄与を評価すること。
• 実際の地下環境において低バックグラウンド中性子スペクトロメータの性能を検証すること。
• 将来の地下実験（ニュートリノやダークマター探索など）における背景モデル化のための実測データを提供すること。

提案手法

• 液体有機シンチレーション剤を3個のフォトマルチプライヤー管と結合させた中性子スペクトロメータを設計した。
• 高速中性子はシンチレーション剤内のプロトン再結合による光フラッシュで検出され、その後に3He(n,p)t反応による遅延電荷パルスが得られた。
• シンチレーション光パルスと3He計数器信号との一致手法を用いることで、ガンマ線バックグラウンドの効果的抑制が可能となった。
• データ取得には2つの独立したチャンネルを用いた：1つはPMT信号用、もう1つはNC信号用。信号対ノイズ比を最適化するためにプリアンプを設けた。
• 中性子エネルギーはシンチレーション剤のパルス高さから再構築され、検出器効率およびデッドタイム補正が適用された。
• フラックスは、全カウントから相関するバックグラウンドイベントを差し引いた値を計算し、統計的および系統的不確実性を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ピハサルミ鉱山におけるさまざまな深度におけるエネルギー依存の中性子フラックスはどのように変化するか？
• RQ2 ウラン・トリウム崩壊系列およびミューオン誘発スパルタションは、異なる深度で中性子バックグラウンドにどのように寄与しているか？
• RQ3 このスペクトロメータは、深地中条件下で低フラックスの中性子をどれほど効果的に検出・区別できるか？
• RQ4 中性子フラックスは深さに応じてどのように変化し、特定の深度での異常はどのような要因によって説明できるか？
• RQ5 25 MeV以上の高エネルギー中性子はどの程度寄与しているか、またそれらはどのように生成されるか？

主な発見

• 1410 m深度では、0–1.5 MeVエネルギー範囲の中性子フラックスが42.2 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹に達し、測定された最大値であった。これは、花こう岩の壁コーティングにウラン・トリウムが蓄積している可能性があるためと推定された。
• 1.5–3 MeV範囲では、1410 m深度で10.5 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹の中性子フラックスが測定され、放射性生成による中性子生成の増加に一致する明確な深さ依存性が示された。
• 400 m深度では、25 MeVを超える中性子が顕著に過剰に観測された。これは、鉛遮蔽内のミューオン誘発ハドロンシャワーに起因するとされた。
• 6–12 MeV範囲では、全深度で0.7 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹未満の中性子フラックスが測定され、最大値は1410 m深度で3.3 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹であった。
• 3–6 MeV範囲では、1.9–3.0 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹の中性子フラックスが測定され、深さに伴い増加しており、放射性生成による中性子生成と整合的であった。
• 1.5 MeV未満のエネルギー範囲では、高速中性子寄与を差し引いた3He比例計数器のカウントからフラックスが推定され、660 m深度で20.8 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹（不確実性1.6 × 10⁻⁷ cm⁻²s⁻¹）が得られた。