[論文レビュー] Seasonal modulation in the Borexino cosmic muon signal

D. D’Angelo|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、グランサッソ国立研究所に設置されたBorexino検出器から得られた4年間の宇宙線ミューオンデータを分析し、ミューオンフラックスに季節的変動が見られることを明らかにした。その振幅は1.29%、ピークは6月28日に位置する。ミューオン率の変動と大気温度の間に正の相関が確認され、有効温度係数αT = 0.93 ± 0.04が得られた。これは、中間子を含むモデルと整合的であり、同深度における以前の測定を改善した結果である。

ABSTRACT

Borexino is an organic liquid scintillator detector located in the underground Gran Sasso National Laboratory (Italy). It is devoted mainly to the real time spectroscopy of low energy solar neutrinos via the elastic scattering on electrons in the target mass. The data taking campaign started in 2007 and led to key measurements of 7}Be and 8B solar neutrinos as well as antineutrinos from the earth (geo-neutrinos) and from nuclear power reactors. Borexino is also a powerful tool for the study of cosmic muons that penetrate the Gran Sasso rock coverage and thereby induced signals such as neutrons and radioactive isotopes which are today of critical importance for upcoming dark matter and neutrino physics experiments. Having reached 4y of continuous data taking we analyze here the muon signal and its possible modulation. The muon flux is measured to be (3.41+-0.01)E-4/m2/s. A modulation of this signal with a yearly period is observed with an amplitude of (1.29+-0.07)% and a phase of (179+-6) d, corresponding to June 28th. Muon rate fluctuations are compared to fluctuations in the atmospheric temperature on a daily base, exploiting the most complete atmospheric data and models available. The distributions are shown to be positively correlated and the effective temperature coefficient is measured to be alpha_T = 0.93 +- 0.04. This result is in good agreement with the expectations of the kaon-inclusive model at the laboratory site and represents an improvement over previous measurements performed at the same depth.

研究の動機と目的

• 4年間のBorexinoデータを用いて、グランサッソ国立研究所における宇宙線ミューオンフラックスおよびその季節的変動を測定すること。
• 当該地点におけるミューオン率の変動と大気温度変動との相関を調査すること。
• この深度におけるミューオンフラックスの温度変化に対する有効温度係数αTを決定し、過去の地下測定を改善すること。
• 長期的なミューオンモニタリングを用いた、大気宇宙線衝突におけるK/π比の間接的決定を可能にすること。
• 球形で角度に依存しない検出器から得られる高精度なデータを用いて、中間子を含むモデルによるミューオン生成の妥当性を検証すること。

提案手法

• データ収集は2007年5月から2011年5月までであり、校正データおよび不正なデータを除いた。総露出量は1.41 × 10⁶ t·d、ミューオンイベント数は4.6 × 10⁶件であった。
• ミューオンイベントは、内側検出器（ID）および外側検出器（OD）における一致トリガーに基づき選別され、高い効率（99.992%）と低い系制度的誤差を達成した。
• IDの球形幾何構造を用いることで角度受容性バイアスを最小限に抑えた。ミューオンフラックスは(3.41 ± 0.01) × 10⁻⁴ m⁻²s⁻¹として計算された。
• 大気温度データは、LNGS座標（13.578°E, 42.454°N）におけるECMWFの4回/日のグローバルモデルから取得され、37の気圧レベルに補間された。
• 深さに依存する重み関数（式7）を用いて、ミューオン生成およびエネルギー損失を考慮した有効温度T_effを計算した。
• 日次ΔI_μ/⟨I_μ⟩とΔT_eff/⟨T_eff⟩の線形回帰に誤差伝搬を適用し、αTを抽出した。系統的誤差はデータのばらつきを用いて評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グランサッソ地下施設における宇宙線ミューオンフラックスの季節的変動の振幅と位相は何か？
• RQ2 LNGS施設における日次大気温度変動とミューオンフラックスの相関はどの程度強いか？
• RQ3 この深度における大気温度変化に対するミューオンフラックス応答の有効温度係数αTは何か？
• RQ4 測定されたαT値は、中間子を含むミューオン生成モデルの予測と一致するか？
• RQ5 深地下施設における長期的ミューオンモニタリングは、大気宇宙線衝突におけるK/π比の間接的測定を可能にするか？

主な発見

• グランサッソにおける宇宙線ミューオンフラックスは(3.41 ± 0.01) × 10⁻⁴ m⁻²s⁻¹と測定され、角度に依存しない受容性を持つ球形検出器を用いた初の測定であった。
• ミューオンフラックスに季節的変動が観測され、その振幅は(1.29 ± 0.07)%、ピークは6月28日（位相：179 ± 6日）に位置した。
• ミューオン率の変動と大気温度の間に正の相関が確認され、相関係数R = 0.60であった。
• 有効温度係数はαT = 0.93 ± 0.04と測定され、中間子を含むモデルと整合的であり、過去の測定よりも精度が高かった。
• LNGS地点における予測値αT = 0.92 ± 0.02と良好に一致しており、ミューオン生成がパイオニと中間子の両方から生じると仮定した場合の結果であった。
• 本研究は、長期的なミューオンモニタリングを用いた、大気宇宙線衝突におけるK/π比の探査の可能性を示した。加速器実験の測定を補完するものである。