[論文レビュー] Yields and production rates of $^9$Li and $^8$He measured with the Double Chooz near and far detectors

H. de Kerret, T. Abrahão+96 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ダブル・チューズの近接および遠隔検出器を用いて、宇宙線ミューオンスパリゼーションによる $^{12}$C 上の $^9$Li および $^8$He の生成断面積を測定した。120 m.w.e. における $^9$Li の生成断面積は $4.37\pm0.49\times10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$、300 m.w.e. では $7.98\pm0.52\times10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$ であった。データは $^9$Li の生成断面積と平均ミューオンエネルギーとの間のべき乗則的関係を示し、$\overline{\alpha}=0.79\pm0.06$ および $Y_0=0.29\pm0.09\times10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$ が得られた。これにより、将来の液体シンチレーター反原子炉実験におけるバックグラウンド予測が向上した。

ABSTRACT

The yields and production rates of the radioisotopes $^9$Li and $^8$He created by cosmic muon spallation on $^{12}$C have been measured by the Double Chooz experiment. Comparing the data to a detailed simulation of the $^9$Li and $^8$He decays, the contribution of the $^8$He radioisotope is found to be compatible with zero. The observed $^9$Li yields in the near ($\sim$120 m.w.e overburden) and far ($\sim$300 m.w.e.) detectors are $4.37\pm0.49$ and $7.98\pm0.52$ respectively, in units of $10^{-8}\,\mathrm{\mu ^{-1}g^{-1}cm^{2} }$. The low overburdens of the near and far detectors gives a unique insight when combined with measurements by KamLAND and Borexino to give the first multi-experiment, data driven relationship between the $^9$Li yield and the mean muon energy according to the power law $Y = Y_0\left ^{\overline{\alpha}}$, giving $\overline{\alpha}=0.79\pm0.06$ and $Y_0=(0.29\pm0.09) imes 10^{-8}\,\mathrm{\mu ^{-1}g^{-1}cm^{2} }$. This relationship gives future liquid scintillator based nuclear reactor experiments the ability to predict their cosmogenic $^9$Li background rates.

研究の動機と目的

• 宇宙線ミューオンスパリゼーションによる液体シンチレーター検出器内の $^{12}$C における核種 $^9$Li および $^8$He の生成断面積を測定すること。
• 反原子炉ニュートリノ実験に与える影響を考慮すると、$^8$He が観測バックグラウンドに与える寄与を特定すること。
• ダブル・チューズ、カムランド、ボレキシノの複数実験データを統合し、$^9$Li の生成断面積と平均ミューオンエネルギーとの間のデータ駆動型関係を確立すること。
• 将来の液体シンチレーターを用いた核分裂炉実験における生成断面積のバックグラウンド予測のための予測モデルを提供すること。
• 異なる被覆厚さの地点での測定結果を統合することで、バックグラウンド率推定の精度を向上させること。

提案手法

• 液体シンチレーター検出器を用いて、ダブル・チューズの近接（120 m.w.e.）および遠隔（300 m.w.e.）検出器で $^9$Li および $^8$He の崩壊事象を測定する。
• 観測された崩壊率を、$^9$Li および $^8$He の崩壊を詳細にシミュレートした結果と比較し、$^9$Li の信号を分離し、$^8$He の寄与を評価する。
• 2つの異なる被覆厚さでの測定結果を用いて、$^9$Li の生成断面積が平均ミューオンエネルギーにどのように依存するかを制約する。
• データをべき乗則モデル $Y = Y_0 \cdot \bar{E}^{\bar{\alpha}}$ にフィットさせ、ここで $Y$ は $^9$Li の生成断面積、$\bar{E}$ は平均ミューオンエネルギー、$Y_0$ および $\bar{\alpha}$ はフィットパラメータである。
• ダブル・チューズの結果を、既存のカムランドおよびボレキシノのデータと統合し、$^9$Li の生成断面積-エネルギー関係を多実験的・データ駆動型にキャリブレーションする。
• 観測データとシミュレーションの比較により $^8$He の寄与を検証し、それがゼロと整合的であることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線ミューオンスパリゼーションによる $^{12}$C における $^9$Li および $^8$He の絶対生成断面積は、異なる被覆厚さの地点でどのように変化するか？
• RQ2 ダブル・チューズ検出器における観測バックグラウンドに $^8$He がどの程度寄与しているか？
• RQ3 $^9$Li の生成断面積は平均ミューオンエネルギーにどのように依存するか？また、この関係を最もよく記述する関数形は何か？
• RQ4 将来の反原子炉ニュートリノ実験におけるバックグラウンド予測を向上させるために、多実験的・データ駆動型の $^9$Li 生成断面積キャリブレーションを確立できるか？
• RQ5 ダブル・チューズ、カムランド、ボレキシノの統合データセットから得られた $^9$Li 生成断面積パラメータの不確実性は何か？

主な発見

• $^8$He がバックグラウンドに与える寄与はゼロと整合的であり、$^9$Li の信号にほとんど影響しないことが示された。
• 近接検出器（120 m.w.e.）における $^9$Li の生成断面積は $4.37 \pm 0.49 \times 10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$ として測定された。
• 遠隔検出器（300 m.w.e.）における $^9$Li の生成断面積は $7.98 \pm 0.52 \times 10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$ として測定された。
• データへのべき乗則フィットから、$^9$Li の生成断面積が平均ミューオンエネルギーに依存する関係として $\overline{\alpha} = 0.79 \pm 0.06$ が得られた。
• べき乗則モデルにおける正規化パラメータ $Y_0$ は $0.29 \pm 0.09 \times 10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$ として決定された。
• 導出された $Y = Y_0 \cdot \bar{E}^{\bar{\alpha}}$ の関係は、将来の液体シンチレーター反原子炉実験における生成断面積のバックグラウンド率を予測するための有効なツールとなった。