[論文レビュー] The Physics Behind the CosmicWatch Desktop Muon Detectors

Spencer Axani|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 40被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、宇宙線ミューオンおよび放射性崩壊を測定できる低消費電力で携帯可能な大学教員向け研究ツールである CosmicWatch デスクトップミューオン検出器の物理的背景を詳述している。この検出器が高度および緯度に伴うミューオン率の変化を測定できること、放射性崩壊におけるポアソン統計の妥当性を検証できること、そしてSiPMとシンチレーター技術を用いて宇宙線を用いた真の乱数生成器を実装できることを示している。

ABSTRACT

The CosmicWatch Desktop Muon Detector is a Massachusetts Institute of Technology (MIT) and Polish National Centre for Nuclear Research (NCBJ) based undergraduate-level physics project that incorporates various aspects of electronics-shop technical development. The detector was designed to be low-power and extremely portable, which opens up a wide range of physics for students to explore. This document describes the physics behind the Desktop Muon Detectors and explores possible measurements that can be made with the detectors. In particular, we explore various physical phenomena associated with the geomagnetic field, atmospheric conditions, cosmic ray shower composition, attenuation of particles in matter, radioactivity, and statistical properties of Poisson processes.

研究の動機と目的

• 大学および高校の物理学教育を対象とした低コストで持ち運び可能かつ低消費電力のデスクトップミューオン検出器の開発を目的とする。
• 地球磁気圏効果、大気減衰、粒子相互作用といった、宇宙線ミューオン検出に影響を与える物理現象の調査を目的とする。
• 高度および緯度に伴うミューオン率の依存関係や、放射性崩壊のポアソン的性質といった測定可能な物理現象の提示を目的とする。
• 宇宙線ミューオンの到着時刻をエントロピー源として用いた真の乱数生成器の実装および検証を目的とする。
• 多様な実験環境において、検出器の構築、運用、データ解析を包括的に支援する教育的リソースの提供を目的とする。

提案手法

• 宇宙線ミューオンおよび背景放射能からの電離放射線を検出するために、シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）とプラスチックシンチレーターを用いる。
• トリガータイミングとタイムスタンプを記録するため、マイコン（Arduino）を用い、時間分解能のあるデータ取得および一致検出を可能にする。
• 大気中の電磁シャワーを記述し、異なる高度におけるミューオンフラックスを推定するためにヘイトラー・モデルを適用する。
• 1 kHzクロックに同期したトグルフリップフロップ回路を用いて、ランダムなトリガータイムスタンプを2進数（0と1）に変換し、乱数生成に用いる。
• 時間間隔ごとのミューオンおよび放射性崩壊イベントの統計的挙動をモデル化するためにポアソン分布を適用する。
• マスターモードおよび一致モードでのデータ解析により、角度分布、率の変化、バックグラウンド抑制を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 商業機で33,000 ftの高度で、また107,000 ftの高高度気球飛行で測定した宇宙線ミューオン率は、高度にどのように依存するか？
• RQ2 地球磁気圏は、異なる緯度における宇宙線ミューオンの方向および率分布にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 宇宙線ミューオンのランダムな到着時刻を用いて、統計的に妥当な真の乱数列を生成できるか？
• RQ4 時間チャンクごとのミューオン数の観測分布は、理論的なポアソン分布とどの程度一致するか？
• RQ5 大気圧は測定されたミューオン率にどのような影響を及ぼし、この相関関係を飛行データから定量的に抽出できるか？

主な発見

• 海面から33,000 ftの高度に上昇した際、宇宙線ミューオン率は約2.5倍低下しており、大気減衰モデルと整合的である。
• 107,000 ftの高度では、海面と比較してミューオン率が約10倍に上昇していることが測定され、ミューオンフラックスが大気の上層部に強く依存していることを確認した。
• 時間チャンクごとのミューオン数の分布は、ポアソン分布に非常に良く一致しており、調整済みχ²のp値から統計的期待と良好な一致が示された。
• 宇宙線ミューオンの到着時刻を用いた乱数生成器は、0〜255の値に対して一様分布を示し、χ²検定のp値が一様性の帰無仮説を支持した。
• ミューオン率は大気圧と測定可能な負の相関関係を示しており、飛行データでは相関係数が約-0.35が観測された。
• 2台の検出器間の一致測定により、ミューオンイベントの方向および時間的相関が確認され、立体角が大きくなるにつれて一致率が上昇した。