[논문 리뷰] Measurement of the muon-induced neutron seasonal modulation with LVD

N. Yu. Agafonova|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 17.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이탈리아의 LVD 검출기에서 15년에 걸쳐 뮤온 유도 중성자에 대한 계절적 변동을 측정하였으며, 중성자 포획으로 발생하는 감마선 펄스를 통한 중성자 검출을 사용하였다. 분석 결과, 뮤온 당 중성자 생성의 진폭은 7.7%로 나타났으며, 이는 3650 m.w.e.에서 평균 뮤온 에너지가 계절에 따라 10% 증가함을 시사하며, 강도 변화보다 이에 의해 주로 결정되는 것으로 나타났다. 이는 뮤온 강도만으로는 관찰되지 않는 더 큰 중성자 조밀도 변동을 설명한다.

ABSTRACT

Cosmic ray muons with the average energy of 280 GeV and neutrons produced by muons are detected with the Large Volume Detector at LNGS. We present an analysis of the seasonal variation of the neutron flux on the basis of the data obtained during 15 years. The measurement of the seasonal variation of the specific number of neutrons generated by muons allows to obtaine the variation magnitude of of the average energy of the muon flux at the depth of the LVD location. The source of the seasonal variation of the total neutron flux is a change of the intensity and the average energy of the muon flux.

연구 동기 및 목표

• LVD 검출기에서 뮤온 유도 중성자 생성의 계절적 변동을 정밀하게 측정하기 위해.
• 관측된 중성자 조밀도 변동이 주로 뮤온 강도의 변화인지 평균 에너지의 변화인지 판단하기 위해.
• 중성자 수확량 당 뮤온 수를 분석하여 뮤온 에너지 변화가 총 중성자 조밀도 변동에 기여하는 정도를 분리하기 위해.
• 지하 뮤온 및 중성자 조밀도에 대한 대기 및 간성선 방사선 영향을 더 잘 이해하기 위해.

제안 방법

• 2001~2016년 동안 LVD 검출기 운영 데이터를 분석하였으며, 안정적인 성능을 보인 내부 카운터에 집중하였다.
• 중성자는 n+p → d+γ 반응에서 발생하는 2.2 MeV 감마선과 n+Fe 반응에서 발생하는 고에너지 감마선을 통해 검출되었다.
• 특정 중성자 수확량은 $ N_n/N_{tr} $로 계산되었으며, 여기서 $ N_n $은 검출된 중성자 수이고 $ N_{tr} $은 뮤온 트리거 수이다.
• 배경 펄스는 시간 창(450–750 μs)에서 추정되어 50–350 μs 신호 창에서 제거되었다.
• 두 가지 독립된 방법을 사용: 월별 데이터의 에포크 폴딩과 여름(6~8월) 및 겨울(12~2월) 월 간의 잔차 분석.
• 중성자 수확량의 변동은 뮤온 에너지의 변동과 거듭제곱 법칙 의존성 $ N_n \propto E_\mu^{0.78} $을 통해 연결되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3650 m.w.e.에서 뮤온 유도 중성자 생성의 계절적 변동의 진폭과 단위는 무엇인가?
• RQ2 뮤온 에너지의 계절적 변동이 관측된 중성자 조밀도 변동에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 여름과 겨울 월 간 중성자 수확량은 어떻게 변하고, 이는 뮤온 에너지 변화에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 중성자 조밀도 변동은 주로 뮤온 강도의 변화인지, 뮤온 에너지 변화의 변화인지 어느 쪽에 의해 주로 결정되는가?
• RQ5 LVD 깊이에서 평균 뮤온 조밀도의 계절적 변동은 무엇인가?

주요 결과

• 특정 뮤온 당 뮤온 유도 중성자 생성의 계절적 변동 진폭은 $ \delta N_n/N_n = 7.7 \pm 0.8\% $이며, 두 가지 독립된 방법으로 확인되었다.
• 변동의 단위는 $ \phi = 7.0 \pm 0.4 \, \text{months} $ (통계적) $ \pm 0.5 \, \text{months} $ (계측 오차)이다.
• 관측된 중성자 수확량 변동은 LVD 깊이에서 평균 뮤온 에너지가 계절에 따라 10% 증가함을 암시하며, $ \delta E_\mu/E_\mu = 10\% \pm 2.8\% $이다.
• 총 중성자 조밀도 변동 진폭은 $ \delta \Phi_n = 9.3\% $이며, 강도 변화보다는 에너지 변화에 의해 주로 결정된다.
• 중성자 조밀도 변동은 뮤온 강도의 단지 1.5% 변동보다 6배 더 크며, 이는 중성자 생성의 강한 에너지 의존성 때문이 다.
• 거듭제곱 법칙 의존성 $ N_n \propto E_\mu^{0.78} $는 확인되었으며, 뮤온 에너지와 중성자 수확량 사이의 견고한 연결고리를 제공한다.