[论文解读] Seasonal modulation in the Borexino cosmic muon signal

D. D’Angelo|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究基于位于格兰萨索国家实验室的Borexino探测器四年宇宙μ子数据，测量到μ子通量存在季节性调制，幅度为1.29%，相位峰值出现在6月28日。研究发现μ子率波动与大气温度呈正相关，测得有效温度系数αT = 0.93 ± 0.04，与包含奇异夸克的模型一致，并优于此前在同一深度的测量结果。

ABSTRACT

Borexino is an organic liquid scintillator detector located in the underground Gran Sasso National Laboratory (Italy). It is devoted mainly to the real time spectroscopy of low energy solar neutrinos via the elastic scattering on electrons in the target mass. The data taking campaign started in 2007 and led to key measurements of 7}Be and 8B solar neutrinos as well as antineutrinos from the earth (geo-neutrinos) and from nuclear power reactors. Borexino is also a powerful tool for the study of cosmic muons that penetrate the Gran Sasso rock coverage and thereby induced signals such as neutrons and radioactive isotopes which are today of critical importance for upcoming dark matter and neutrino physics experiments. Having reached 4y of continuous data taking we analyze here the muon signal and its possible modulation. The muon flux is measured to be (3.41+-0.01)E-4/m2/s. A modulation of this signal with a yearly period is observed with an amplitude of (1.29+-0.07)% and a phase of (179+-6) d, corresponding to June 28th. Muon rate fluctuations are compared to fluctuations in the atmospheric temperature on a daily base, exploiting the most complete atmospheric data and models available. The distributions are shown to be positively correlated and the effective temperature coefficient is measured to be alpha_T = 0.93 +- 0.04. This result is in good agreement with the expectations of the kaon-inclusive model at the laboratory site and represents an improvement over previous measurements performed at the same depth.

研究动机与目标

• 利用Borexino探测器四年数据，测量格兰萨索国家实验室地下μ子通量及其季节性调制。
• 研究该地点μ子率波动与大气温度变化之间的相关性。
• 测定μ子通量对温度变化响应的有效温度系数αT，优于以往地下测量结果。
• 通过长期μ子监测，实现对大气宇宙射线作用中K/π比值的间接测定。
• 利用来自球形、角度无关探测器的高精度数据，验证包含奇异夸克的μ子产生模型。

提出的方法

• 数据采集时间为2007年5月至2011年5月，排除校准和无效数据，总暴露量为1.41 × 10⁶ t·d，共记录4.6 × 10⁶个μ子事例。
• μ子事例基于内层探测器（ID）和外层探测器（OD）的符合触发条件筛选，确保高效率（99.992%）和低系统误差。
• 利用ID的球形几何结构计算μ子通量，为(3.41 ± 0.01) × 10⁻⁴ m⁻²s⁻¹，有效降低角度接受度偏差。
• 大气温度数据来自ECMWF的4次/日全球模型，坐标为LNGS（13.578°E, 42.454°N），插值至37个气压层。
• 利用深度相关加权函数（公式7）计算有效温度T_eff，考虑大气中μ子产生与能量损失。
• 采用带误差传播的线性回归方法，分析每日ΔI_μ/⟨I_μ⟩与ΔT_eff/⟨T_eff⟩的关系，提取αT，并通过数据变化评估系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在格兰萨索地下站点，宇宙μ子通量的季节性调制的幅度和相位分别是多少？
• RQ2 μ子通量与LNGS站点每日大气温度波动的相关性有多强？
• RQ3 在此深度，μ子通量对大气温度变化响应的有效温度系数αT是多少？
• RQ4 所测得的αT值是否与包含奇异夸克的μ子产生模型预测一致？
• RQ5 在深地下的长期μ子监测是否可实现对大气宇宙射线作用中K/π比值的间接测量？

主要发现

• 在格兰萨索测得的宇宙μ子通量为(3.41 ± 0.01) × 10⁻⁴ m⁻²s⁻¹，为首次使用球形探测器且具有角度无关接受度的此类测量。
• 观测到μ子通量存在季节性调制，幅度为(1.29 ± 0.07)%，相位峰值为6月28日（相位：179 ± 6天）。
• 发现μ子率波动与大气温度之间存在正相关，相关系数R = 0.60。
• 测得的有效温度系数为αT = 0.93 ± 0.04，与包含奇异夸克的模型一致，且比以往测量更精确。
• 该结果与假设μ子由π介子和K介子共同产生的理论预测值αT = 0.92 ± 0.02高度一致。
• 本研究证明了通过长期μ子监测探测大气宇宙射线作用中K/π比值的可行性，可作为加速器测量的补充。