[論文レビュー] On the level of background in underground muon measurements with plastic scintillator counters

V. I. Volchenko, G. V. Volchenko+24 more|ArXiv.org|Oct 14, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、200 m.w.e. の水-equivalent厚さを有するバクサン地下研究所で、波長シフトファイバーとマルチピクセルゲーザー・モードアバランチフォトダイオード（MPPC）を備えた12.0×12.0×3.0 cm³ のプラスチックシンチレーター・カウンタを用いて、地下ミューオン検出におけるバックグラウンドレベルを測定した。最小イオン化粒子（MIP）エネルギーの約0.37に対応するしきい値において、合計計数率は約1.3 Hzであった。これは、低バックグラウンドミューオン検出実験における重要なベースラインを提供する。

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.

研究の動機と目的

• プラスチックシンチレーター・カウンタを用いて、地下ミューオン検出における固有のバックグラウンドレベルを測定すること。
• 波長シフトファイバーとゲーザー・モードAPD読み出しを備えたポリスチレン系シンチレーターの性能を、低バックグラウンド環境で評価すること。
• 200メートル水当量（m.w.e.）の深さにおけるミューオン検出のためのベースライン計数率を確立すること。
• 残存バックグラウンド寄与を定量することで、将来の超低バックグラウンド条件を要する実験を支援すること。
• プラスチックシンチレーターが地下ミューオントモグラフィーや素粒子物理学研究に適しているかどうかを検証すること。

提案手法

• アクティブ検出器として、12.0×12.0×3.0 cm³ のポリスチレン系の鋳造プラスチックシンチレーターを用いた。
• シンチレーション光をフォトダイオードに導くために、波長シフトファイバーを埋め込んだ。
• 信号読み出しにはマルチピクセルゲーザー・モードアバランチフォトダイオード（MPPC）を用いた。
• 測定は、200 m.w.e. の深さに位置するバクサン地下研究所で実施した。
• ミューオン検出を最適化するために、しきい値を最小イオン化粒子（MIP）エネルギーの約0.37に設定した。
• 定義された期間にわたりバックグラウンド計数率を記録し、合計イベントレートを決定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 200 m.w.e. の深さにおけるプラスチックシンチレーター・カウンタの固有バックグラウンド計数率はいかほどか？
• RQ2 約0.37 MIPの信号しきい値が、測定されたバックグラウンドレートにどのように影響するか？
• RQ3 この装置におけるバックグラウンドに寄与する残存ミューオンおよび他の粒子の寄与はどの程度か？
• RQ4 これらの地下環境下で、バックグラウンドレベルはどれほど安定的かつ再現可能か？
• RQ5 このシンチレーター・システムは、低バックグラウンドミューオントモグラフィーやニュートリノ検出にどの程度応用可能か？

主な発見

• 200 m.w.e. の深さにおけるシンチレーター・カウンタの合計計数率は、約1.3 Hzであった。
• バックグラウンドレベルは、最小イオン化粒子エネルギーの約0.37のしきい値に対応しており、低エネルギーノイズの効果的な抑制を示している。
• 測定されたバックグラウンドレートは、残存ミューオンおよび宇宙線誘発二次粒子からの寄与と整合的である。
• 波長シフトファイバーとMPPC読み出しの組み合わせにより、低電子ノイズで効率的な信号収集が可能になった。
• 本結果は、同様のシンチレーター構成を用いた将来の地下ミューオン検出実験における信頼できるベースラインを提供する。
• バックグラウンドレベルは十分に低いため、深地中環境における感受性の高いミューオントモグラフィーや素粒子物理学研究を支援できる。