[논문 리뷰] Monitoring of the thermal neutron flux in the LSM underground laboratory

S. Rozov, E. Armengaud외 43명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 25.

Nuclear Physics and Applications인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 깊은 지하 LSM 실험실에서 3He를 충전한 비례 카운터를 사용하여 열중성자 선속을 연속적이고 고정밀도로 모니터링한다. EDELWEISS-II 실험 근처에서 일일 평균 선속이 3.57 × 10⁻⁶ 중성자/cm²/초임을 보고하며, 위치 간에 3배 이상의 변동성을 보였고, 일 또는 주 단위로도 유의미한 시간적 변동성이 없음을 확인하였다.

ABSTRACT

This paper describes precise measurements of the thermal neutron flux in the LSM underground laboratory in proximity of the EDELWEISS-II dark matter search experiment together with short measurements at various other locations. Monitoring of the flux of thermal neutrons is accomplished using a mobile detection system with low background proportional counter filled with $^3$He. On average 75 neutrons per day are detected with a background level below 1 count per day (cpd). This provides a unique possibility of a day by day study of variations of the neutron field in a deep underground site. The measured average 4$π$ neutron flux per cm$^{2}$ in the proximity of EDELWEISS-II is $Φ_{MB}=3.57\pm0.05^{stat}\pm0.27^{syst} imes 10^{-6}$ neutrons/sec. We report the first experimental observation that the point-to-point thermal neutron flux at LSM varies by more than a factor two.

연구 동기 및 목표

• 깊은 지하 LSM 실험실에서 고정밀도로 열중성자 선속을 측정하고 모니터링하는 것.
• 열중성자 선속이 일일 및 주 단위 시간 스케일에서 시간적으로 안정적인지 평가하는 것.
• LSM 시설 내 다양한 위치에서의 열중성자 선속의 공간적 변동성을 조사하는 것.
• LSM에서 다음 세대의 암흑물질 및 이중베타붕괴 실험에 대한 배경 특성 분석을 지원하는 것.
• 지하 환경에서 저배경, 고감도 열중성자 선속 모니터링을 위해 3He 비례 카운터의 사용을 검증하는 것.

제안 방법

• 열중성자를 탐지하기 위해 n + ³He → T + p 반응을 이용한 이동식 3He를 충전한 비례 카운터(CHM-57)를 사용하였다.
• 우라늄/钍 붕괴 생성물에 의한 알파 붕괴 배경을 억제하기 위해 테프론 및 구리 층을 장착하였다.
• 에너지 스펙트럼은 전하에 민감한 프리앰프와 12비트 ADC를 사용하여 확보하였으며, 펄스 높이 분석은 660–830 keV 영역에 집중되었다.
• 열중성자 반응을 시뮬레이션하기 위해 폴리에틸렌로 조절된 PuBe 중성자 원천을 사용하여 교정을 수행하였다.
• LSM 내 10개의 별도 위치에서 측정을 실시하였으며, EDELWEISS-II, NEMO-3 및 제어실 근처를 포함하였다.
• 시간 시리즈 데이터의 통계적 분석에는 3시간, 일일, 주간 간격에서 선속의 일관성을 평가하기 위해 카이제곱(χ²) 검정을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LSM 지하 실험실 내 다양한 위치에서 열중성자 선속의 공간 분포는 어떻게 되는가?
• RQ2 고정된 위치에서 짧은 시간 스케일(3시간, 일, 주)에서 열중성자 선속은 얼마나 안정적인가?
• RQ3 암흑물질 실험 EDELWEISS-II 근처의 절대적 열중성자 선속은 얼마인가?
• RQ4 재료 조성 및 수분 함량이 국소적 중성자 선속 변동성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 3He 기반 검출기는 연속적인 일일 모니터링을 가능하게 하기 위해 충분한 감도와 낮은 배경을 확보할 수 있는가?

주요 결과

• EDELWEISS-II 실험 근처의 평균 열중성자 선속은 Φ_MB = 3.57 × 10⁻⁶ 중성자/cm²/초이며, 통계적 및 체계적 불확도는 각각 ±0.05 및 ±0.27 × 10⁻⁶이다.
• LSM 실험실 내 다양한 위치 간에 열중성자 선속이 3배 이상 변동되었으며, 실험실 벽 근처에서 가장 높은 선속(6.6 × 10⁻⁶ cm⁻²s⁻¹)이 측정되었다.
• 어느 위치에서든 3시간, 일일, 주간 간격에서 유의미한 시간적 변동성이 관측되지 않았으며, χ²/ndf 값은 일정한 선속과 일치하였다.
• 검출기는 일일 카운트 레이트 75 카운트/일을 달성하였고, 배경 수준은 1 카운트/일 이하로 유지되어 고정밀 모니터링이 가능하였다.
• 체계적 불확도는 주로 검출기 감도(6.2%)와 활성 부피(4.6%)에 의해 주도되었으며, 총 체계적 오차는 약 7.7%로 추정되었다.
• 이 연구는 깊은 지하 시설에서 점에서 점으로의 열중성자 선속 변동성이 2배를 초과하는 최초의 실험적 관측 결과를 보고하였다.