[論文レビュー] Study of Cosmogenic Neutron Backgrounds at LNGS

A. Empl, R. Jasim+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、LNGSにおける深地中検出器における宇宙線誘発中性子背景をモデル化するためのFLUKAモンテカルロシミュレーションコードの妥当性を検証する。主にLNGSにおけるダークサイド-50およびダークサイド-G2液体アルゴン二相実験を対象としている。二重アクティブバイアス系がミューオン誘発中性子を効果的に抑制することを示し、ダークサイド-50では1年あたり0.3件、ダークサイド-G2では0.6件の誤検出が発生すると予測される。これは、将来の背景予測に向けたシミュレーションの信頼性を確認するものである。

ABSTRACT

Cosmic muon interactions are important contributors to backgrounds in underground detectors when searching for rare events. Typically neutrons dominate this background as they are particularly difficult to shield and detect in a veto system. Since actual background data is sparse and not well documented, simulation studies must be used to design shields and predict background rates. This means that validation of any simulation code is necessary to assure reliable results. This work studies the validation of the FLUKA simulation code, and reports the results of a simulation of cosmogenic background for a liquid argon two-phase detector embedded within a water tank and liquid scintillator shielding.

研究の動機と目的

• 宇宙線誘発中性子背景の地下環境におけるFLUKAシミュレーションコードの、利用可能な実験データとの妥当性を検証すること。
• LNGSにおけるダークサイド-50およびダークサイド-G2液体アルゴン検出器のための中性子背景率を予測すること。
• ミューオン誘発中性子を遮断するための二重アクティブバイアス系（LSVおよびCTF）の有効性を評価すること。
• ボレキシノ実験のデータを用いて、将来の宇宙線誘発中性子測定のベンチマークを提供すること。
• 次世代の直接的ダークマター探索における、シミュレーションベースの背景予測に対する信頼性を高めること。

提案手法

• LNGS地下環境におけるミューオン誘発反応および中性子生成をシミュレートするために、FLUKA2011.2モンテカルロコードを用いた。
• CERNのミューオンテストビームおよび lead やウラン標的における光核反応測定のベンチマークデータを用いて、FLUKAの予測を検証した。
• 液体シンチレーターおよびチェレンコフバイアス（CTF）遮蔽を備えた水タンクに埋め込まれた液体アルゴン二相検出器をシミュレートした。
• 液体アルゴン体積およびバイアス検出器における中性子輸送とエネルギー損失を追跡し、エネルギー閾値およびPMT信号基準を適用した。
• 長期的な背景率と遮断効率を推定するために、36年間のシミュレートされたライブタイムを適用した。
• 過去のシミュレーションと比較し、差異を評価した。特に、12Cにおける(γ,n)截面の補正についても検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FLUKAシミュレーションコードは、LNGSのような深地中施設における宇宙線誘発中性子背景をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 LNGSにおけるダークサイド-50およびダークサイド-G2液体アルゴン検出器の予想される中性子背景率はどの程度か？
• RQ3 二重アクティブバイアス系（LSVおよびCTF）は、ミューオン誘発中性子をどの程度効果的に遮断できるか？
• RQ4 シミュレーション予測は、ミューオン誘発中性子フラックスに関する利用可能な実験データとどの程度一致するか？
• RQ5 将来のボレキシノデータは、宇宙線誘発中性子シミュレーションの妥当性向上にどの程度寄与するか？

主な発見

• FLUKAシミュレーションは、ミューオン核反応および光核反応に関する実験ベンチマークと良好に一致しており、宇宙線背景研究への適用が妥当であることが裏付けられた。
• シミュレーションでは、ダークサイド-G2実験において、感度領域の液体アルゴン体積に1年あたり約581件の中性子イベントが宇宙線誘発で侵入すると予測された。
• ダークサイド-50では1年あたり0.3件、ダークサイド-G2では0.6件がCTFバイアスで少なくとも3個のPMTに信号を発生させないため、高い検出効率であることが示された。
• ダークサイド-G2では、LSVにおける1 MeV未満のエネルギー損失が1年あたり0.6件にとどまり、低エネルギー中性子の効果的遮断が確認された。
• 二重バイアス系は、トン級のダークサイド-G2構成で5年以上にわたる運用において十分な背景抑制を提供することが確認された。
• 12Cにおける(γ,n)截面にわずかな不一致が認められたが、先行研究で提案された補正は無効であることが判明し、FLUKAの信頼性がさらに強化された。