[논문 리뷰] On the level of background in underground muon measurements with plastic scintillator counters

V. I. Volchenko, G. V. Volchenko외 24명|ArXiv.org|2008. 10. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 200 m.w.e. 깊이에 위치한 백산 지하 실험소에서 12.0×12.0×3.0 cm³ 폴리스티렌 기반 플라스틱 신티스케이터 카운터에 파장 이동 섬유와 다중 픽셀 게이거 모드 압전형 야광광다이오드(MPPC)를 사용하여 지하 뮤온 탐지의 배경 수준을 측정한다. 최소 이온화 입자 에너지의 약 ~0.37에 해당하는 임계값에서 총 카운팅 레이트는 약 1.3 Hz로 측정되었으며, 이는 저배경 뮤온 탐지 실험에 있어 핵심 기초 자료를 제공한다.

ABSTRACT

In this short note we present results of background measurements carried out with a polystyrene based cast plastic 12.0x12.0x3.0 cm^3 size scintillator counter with a wavelength shifting fibre and a multi-pixel Geiger mode avalanche photodiode readout in the Baksan underground laboratory at a depth of 200 meters of water equivalent. The total counting rate of the scintillator counter measured at this depth and at a threshold corresponding to ~0.37 of a minimum ionizing particle is approximately 1.3 Hz.

연구 동기 및 목표

• 플라스틱 신티스케이터 카운터를 사용하여 지하 뮤온 탐지의 내재된 배경 수준을 측정하기 위해.
• 파장 이동 섬유와 게이저 모드 APD 읽기 방식을 사용하는 폴리스티렌 기반 신티스케이터의 성능을 저배경 환경에서 평가하기 위해.
• 200 미터 수당량(m.w.e.) 깊이에서 뮤온 탐지의 기초 카운팅 레이트를 설정하기 위해.
• 미래의 초저배경 조건이 필요한 실험을 지원하기 위해 잔류 배경 기여도를 정량화하기 위해.
• 지하 뮤온 단층촬영 및 입자물리학 연구에 적합한 플라스틱 신티스케이터의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 활성 검출기로 12.0×12.0×3.0 cm³ 폴리스티렌 기반 주입형 플라스틱 신티스케이터를 사용하였다.
• 신티스케이터 빛을 광검출기로 도달시키기 위해 파장 이동 섬유를 내장하였다.
• 신호 읽기로 다중 픽셀 게이저 모드 압전형 야광광다이오드(MPPC)를 사용하였다.
• 측정는 200 m.w.e. 깊이에 위치한 백산 지하 실험소에서 수행되었다.
• 뮤온 탐지 최적화를 위해 임계값을 최소 이온화 입자(MIP) 에너지의 약 ~0.37에 설정하였다.
• 총 사건 레이트를 결정하기 위해 정해진 기간 동안 배경 카운팅 레이트를 기록하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 200 m.w.e. 깊이에서 플라스틱 신티스케이터 검출기의 내재된 배경 카운팅 레이트는 얼마인가?
• RQ2 ~0.37 MIP의 신호 임계값은 측정된 배경 레이트에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 설정에서 잔류 뮤온과 다른 입자들이 배경에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ4 이 지하 조건에서 배경 수준은 얼마나 안정적이고 재현 가능한가?
• RQ5 이 신티스케이터 시스템은 초저배경 뮤온 단층촬영 또는 뉴트리노 탐지에 얼마나 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 200 m.w.e. 깊이에서 신티스케이터 카운터의 총 카운팅 레이트는 약 1.3 Hz로 측정되었다.
• 배경 수준은 최소 이온화 입자 에너지의 약 ~0.37에 해당하는 임계값을 나타내어 저에너지 노이즈의 효과적인 억제를 보여준다.
• 측정된 배경 레이트는 잔류 뮤온과 우주선 유도 2차 입자 기여와 일치한다.
• 파장 이동 섬유와 MPPC 읽기 방식의 사용은 낮은 전자 노이즈로 효율적인 신호 수집을 가능하게 한다.
• 유사한 신티스케이터 구성으로 이루어진 향후 지하 뮤온 탐지 실험에 대한 신뢰할 수 있는 기초 자료를 제공한다.
• 배경 수준가 충분히 낮아 깊은 지하 환경에서 민감한 뮤온 단층촬영 및 입자물리학 연구를 지원할 수 있다.