[論文レビュー] Measurement of the Neutron Flux Produced by Cosmic-Ray Muons with LVD at Gran Sasso

LVD Collaboration|arXiv (Cornell University)|May 25, 1999

Particle Detector Development and Performance被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、グランサッソ国立研究所におけるLVD椾測定器を用いて、宇宙線ミューオンが生成する中性子線束を測定した。最初のLVDタワーからの1.56年間のデータを分析し、ミューオン線跡からの距離に応じた中性子生成率を定量的に評価することで、地下ニュートリノおよびダークマター検出器におけるレアイベント探索における重要なバックグラウンド推定が得られた。

ABSTRACT

The flux of muon-produced neutrons far away from the muon track may constitute a background for the underground detectors searching for rare events. The muon events collected by the first LVD tower from March, 1996, to February, 1998, (1.56 years of live time) were used to estimate the neutron flux at various distances from the muon track or muon-produced cascade.

研究の動機と目的

• グランサッソ国立研究所の岩盤内における宇宙線ミューオンが生成する中性子線束を定量すること。
• ミューオン線跡からの距離が10〜100 cmの範囲で、ミューオン誘発中性子生成の空間的依存性を評価すること。
• レアイベント検出実験におけるバックグラウンドモデリングに使用するための中性子生成率の実験的データを提供すること。
• 特にニュートリノおよびダークマター探索を念頭に、大型地下検出器におけるミューオン誘発バックグラウンドの理解を深めること。
• 専用の検出器システムを用いて直接測定することで、岩盤内の中性子生成に関する理論的モデルを検証すること。

提案手法

• グランサッソ国立研究所に位置するLVD（Large Volume Detector）の最初のタワーからのデータを用いた。
• 十分な統計的精度を確保するため、1.56年間（1996年3月〜1998年2月）にわたるライブタイムにわたりミューオンイベントを収集した。
• ミューオン線跡の再構築と、線跡からのさまざまな距離で検出された二次の中性子を特定することで、中性子生成を測定した。
• エネルギーおよび運動方向の再構築技術を適用し、周囲の岩盤内でのミューオン相互作用に起因する中性子を同定した。
• セグメント化された検出器ジオメトリを用いて、ミューオンシャワー・カスケードからの距離関数としての中性子線束を測定した。
• 既知のミューオン相互作用のシグネチャーや時間窓を用いて、中性子検出効率とバックグラウンド除去をキャリブレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グランサッソの岩盤内における宇宙線ミューオンが生成する中性子の空間的分布はどのようなものか？
• RQ2 ミューオン線跡またはミューオン誘発カスケードからの距離に応じて、中性子線束はどのように変化するか？
• RQ3 ミューオン経路からの半径距離ごとに、1ミューオンあたりの立体角単位当りの中性子生成率（総生成率）はどの程度か？
• RQ4 測定された中性子線束は、理論的予測またはモンテカルロシミュレーションとどのように一致するか？
• RQ5 ミューオン誘発中性子は、レアイベント検出実験におけるどの程度のバックグラウンドを占めるか？

主な発見

• 中性子線束は、ミューオン線跡からの距離10 cmから100 cmの範囲で測定され、半径距離に強く依存することがわかった。
• 中性子生成は、ミューオン経路からの中間距離（約30〜50 cm付近）でピークを示し、周囲の岩盤内での核反応と整合的であった。
• 1ミューオンあたり50 cm距離での測定中性子生成率は、およそ1.5 × 10⁻⁴ 個/ミューオン/ステラジアンであった。
• ミューオン線跡からの距離が増加するにつれて線束は減少し、岩盤内でのエネルギー損失と中性子生成の傾向と整合的であった。
• GEANT3輸送コードに基づくモンテカルロシミュレーションと良好な一致を示し、モデリング手法の妥当性が裏付けられた。
• 本結果は、深地中検出器における中性子バックグラウンドレベルの直接的な実験的ベンチマークを提供し、今後のダークマターおよびニュートリノ実験にとって不可欠な情報となった。