[논문 리뷰] Measurement of atmospheric muon angular distribution using a portable setup of liquid scintillator bars

Hariom Sogarwal, P. Shukla|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 03.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 20인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 해수면에서의 인도 무메이드 시티(19°N, 72.9°E)에서 대기 중 뮤온의 입사각 분포와 통량을 측정하기 위해 이중 끝 포토다이오드 탐지기 읽기 방식과 8채널 디지타이저를 사용하는 이동성 있는 4본의 액체 스크린 탐지기 구성을 제시한다. 에너지 손실, 정밀한 시간 측정 및 펄스 형상 구분(PSD)을 조합함으로써, 이 방법은 2차원 뮤온 궤적을 재구성하고 수직 뮤온 통량을 66.70 ± 0.36(통계) ± 1.50(시스템)/m²/sr/s로 측정하며, 고도에서의 자세각 의존성은 cosⁿθ (n = 2.10 ± 0.05(통계) ± 0.25(시스템))로 나타나며, 뮤온 운동량 임계값은 255 MeV/c이다.

ABSTRACT

Measurements of cosmogenic particles at various locations and altitudes are becoming increasingly important in view of worldwide interests in rare signals for search of new physics. In this work, we report measurement of muon zenith angle distributions and integrated flux using a portable setup of four one-meter long liquid scintillator bars. Each scintillator bar is read out from both sides via photomultiplier tubes followed by an 8-channel Digitizer. We exploit energy deposition and excellent timing of scintillators to construct two dimensional tracks and hence angles of charged particles. We use liquid scintillators since they have an added advantage of pulse shape discrimination (PSD) which can be used for detecting muon induced particles. The energy deposition, time window of event and PSD cuts are used to reduce the random as well as correlated backgrounds. In addition, we propose three track quality parameters which are applied to obtain a clean muon spectrum. The zenith angle measurement is performed upto $60^\circ$. With our improved analysis, we demonstrate that a setup of 3 bars can also be used for quicker and precise measurements. The vertical muon flux measured is $66.70 \pm 0.36 \pm 1.50$ $/m^2/sr/s$ with $n=2.10 \pm 0.05 \pm 0.25 $ in $\cos^n heta$ at the location of Mumbai, India ($19^{\circ}$N, $72.9^{\circ}$E) at Sea level with a muon momentum above $255$ MeV/$c$. The muon flux has dependence on various factors, the most prominents are latitudes, altitudes and momentum cut of muon so that portable setup like this can be a boon for such measurements at various locations.

연구 동기 및 목표

• 다양한 지리적 위치에서 대기 중 뮤온의 입사각 분포와 통량을 측정하기 위한 이동성 있고 비용 효율적인 장치 개발.
• 액체 스크린에서 에너지 손실, 시간 해상도 및 펄스 형상 구분(PSD)을 활용한 뮤온 탐지의 배경 신호 억제 개선.
• 탐지기 기하학적 구조와 궤적 재구성 최적화를 통해 60°까지의 자세각 범위를 고각 해상도로 확장.
• 단지 세 개의 스크린 막대만으로도 빠르고 정밀한 뮤온 통량 측정이 가능한지 검증.
• cosⁿθ 분포에서 뮤온 통량과 스펙트럼 지수 n에 대한 체계적 불확도 예산 제공하여 세계적 측정 결과와의 교차 비교 가능화.

제안 방법

• 4개의 1미터 길이의 액체 스크린 막대가 양끝에서 포토다이오드 튜브를 통해 읽히며, 8채널 디지타이저가 시간 및 에너지 정보를 기록한다.
• 시간 도래 차이를 이용한 PMT 간 위치 해상도와 에너지 손실을 통한 입자 식별을 조합하여 뮤온 궤적 재구성.
• 펄스 형상 구분(PSD)을 적용하여 감마선 및 기타 입자로부터의 배경을 억제하고 뮤온 유사 펄스와 비-뮤온 사건을 구분.
• 낮은 품질의 궤적을 걸러내고 뮤온 스펙트럼의 신호 순도를 향상시키기 위해 3개의 새로운 궤적 품질 파라미터 도입.
• 수직 우주 뮤온을 이용한 교차 기하학적 설정에서 위치 캘리브레이션 수행하며, 시간-위치 캘리브레이션은 최소한의 체계적 오차를 위해 최적화.
• 측정된 에너지 분포를 기반으로 한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 각 탐지기 구성에 대한 기하학적 수용률 및 효율 보정 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이동성 있는 액체 스크린 탐지기 구성(4본의 1미터 길이 막대)이 60° 자세각까지 정밀한 뮤온 입사각 분포 측정을 가능하게 하는가?
• RQ2 액체 스크린을 사용한 뮤온 통량 측정에서 펄스 형상 구분(PSD)이 신호 대 잡음 비율을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 탐지기 기하학적 변화(예: 막대 간 거리, 탐지기 방향)가 cosⁿθ 분포에서 측정된 뮤온 통량과 스펙트럼 지수 n에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 세 막대 구성이 네 막대 구성과 유사한 정밀도를 제공할 수 있는가? 이는 더 빠르고 이식 가능한 측정을 가능하게 하는가?
• RQ5 뮤온 통량과 스펙트럼 지수 측정에서 지배적인 체계적 불확도 요소는 무엇이며, 이는 어떻게 정량화되는가?

주요 결과

• 해수면에서의 무메이드 시티(19°N, 72.9°E)에서의 수직 뮤온 통량은 255 MeV/c 운동량 임계값을 기준으로 66.70 ± 0.36(통계) ± 1.50(시스템)/m²/sr/s로 측정되었다.
• 자세각 분포는 I(θ) = I₀cosⁿθ 형태를 따르며, n = 2.10 ± 0.05(통계) ± 0.25(시스템)로 나타나 뮤온 운동량과 지자기 위도에 강한 의존성을 보였다.
• 이 구성은 수직으로 내리내리는 뮤온 궤적과 위로 올라오는 뮤온 궤적을 성공적으로 구분하여 방향 감도와 배경 억제를 가능하게 하였다.
• 체계적 오차는 기하학적 변화, 탐지기 교환, 시간-위치 캘리브레이션 변경을 포함한 10개의 별도 탐지기 구성으로 최소화되었으며, 통량에 대한 총 체계적 오차는 2.2%로, n에 대해서는 12%였다.
• 이 연구는 세 막대 구성이 정밀하고 빠른 뮤온 통량 측정을 가능하게 하며, 설치 시간과 복잡성을 감소시킬 수 있음을 입증하였다.
• 이 연구에서 측정된 통량은 이전의 RPC 기반 측정값(Pal 등, 2017)보다 높았는데, 이는 더 낮은 운동량 임계값(255 MeV/c 대비 280 MeV/c) 덕분이며, 이는 이 연구에서의 더 낮은 체계적 불확도에도 불구하고 오차 범위 내에서 일치함을 보였다.