[論文レビュー] Measurement of the muon-induced neutron seasonal modulation with LVD

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

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、イタリアのLVD検出器において15年間にわたり、ミューオン誘発中性子の季節的変動を、中性子捕獲によるガンマ線パルスを用いた中性子検出によって測定した。解析の結果、1つのミューオンあたりの中性子生成の振幅は7.7%であった。これは、3650 m.w.e.の深さにおいて平均ミューオンエネルギーが10%増加することを示しており、強度の変動よりも支配的であり、ミューオン強度のみに比べて6倍も高い中性子フラックス変動を説明する。

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.

研究の動機と目的

• LVD検出器におけるミューオン誘発中性子生成の季節的変動を正確に測定すること。
• 観測された中性子フラックス変動が、主にミューオン強度の変化か平均エネルギーの変化によって駆動されているかを特定すること。
• 中性子生成量の全変動に占めるミューオンエネルギー変化の寄与を、1ミューオンあたりの中性子生成量を分析することで分離すること。
• 地下における大気および宇宙線効果がミューオンおよび中性子フラックスに与える影響をより深く理解すること。

提案手法

• 2001年から2016年までの15年間にわたるLVD検出器の運用データを分析し、安定した性能を示す内側カウンタに焦点を当てた。
• 中性子は、n+p → d+γによる2.2 MeVガンマ線およびn+Fe反応による高エネルギーガンマ線を用いて検出された。
• 1ミューオンあたりの中性子生成量は、$ N_n/N_{tr} $ として計算された。ここで、$ N_n $ は検出された中性子数、$ N_{tr} $ はミューオントリガー数である。
• バックグラウンドパルスは、時間窓（450–750 μs）から推定され、50–350 μsの信号窓から差し引かれた。
• 2つの独立した手法が用いられた：月次データのエポックフォールディングと、夏期（6月–8月）と冬期（12月–2月）の月を比較した残差解析。
• 中性子生成量の変動は、べき乗則的依存関係 $ N_n \propto E_\mu^{0.78} $ を通じてミューオンエネルギー変動と関連づけられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3650 m.w.e.におけるミューオン誘発中性子生成の季節的変動の振幅と位相は何か？
• RQ2 ミューオンエネルギーの季節的変動が、観測された中性子フラックス変動にどの程度寄与しているか？
• RQ3 夏期と冬期の月における1ミューオンあたりの中性子生成量はどのように変化し、これはミューオンエネルギーの変化をどのように示唆するか？
• RQ4 中性子フラックス変動は主にミューオン強度の変動か、ミューオンエネルギーの変動によって駆動されているか？
• RQ5 LVDの深さにおける平均ミューオンフラックスの季節的変動は、どの程度のものか？

主な発見

• 1ミューオンあたりの中性子生成量の季節的変動の振幅は $ \delta N_n/N_n = 7.7 \pm 0.8\% $ であり、2つの独立した手法で確認された。
• 変動の位相は $ \phi = 7.0 \pm 0.4 \, \text{months} $（統計的）$ \pm 0.5 \, \text{months} $（系統的）であった。
• 観測された中性子生成量の変動は、LVD深度における平均ミューオンエネルギーが10%増加していることを示しており、$ \delta E_\mu/E_\mu = 10\% \pm 2.8\% $ であった。
• 全中性子フラックス変動の振幅は $ \delta \Phi_n = 9.3\% $ であり、強度の変化よりもエネルギー変動が支配的であった。
• 中性子フラックスの変動は、ミューオン強度の変動のみが1.5%であるのに対し、中性子生成の強いエネルギー依存性により6倍も大きくなっている。
• べき乗則的依存関係 $ N_n \propto E_\mu^{0.78} $ が確認され、ミューオンエネルギーと中性子生成量との間の強固な関係が裏付けられた。