[논문 리뷰] Yields and production rates of $^9$Li and $^8$He measured with the Double Chooz near and far detectors

H. de Kerret, T. Abrahão외 96명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 이중 추즈 근접 및 원거리 탐지기에서 $^{12}$C에 대한 우주선 뮤온 스파라션에 의한 $^9$Li 및 $^8$He 수율을 측정하여, 120 m.w.e.에서 $^9$Li 수율이 $4.37\pm0.49\times10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$이고, 300 m.w.e.에서 $7.98\pm0.52\times10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$임을 발견하였다. 데이터는 $^9$Li 수율과 평균 뮤온 에너지 간의 멱법칙 관계를 보이며, $\overline{\alpha}=0.79\pm0.06$ 및 $Y_0=0.29\pm0.09\times10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$를 제공하여 향후 액체 스크린터 반응기 실험에서 배경 예측을 향상시킨다.

ABSTRACT

The yields and production rates of the radioisotopes $^9$Li and $^8$He created by cosmic muon spallation on $^{12}$C have been measured by the Double Chooz experiment. Comparing the data to a detailed simulation of the $^9$Li and $^8$He decays, the contribution of the $^8$He radioisotope is found to be compatible with zero. The observed $^9$Li yields in the near ($\sim$120 m.w.e overburden) and far ($\sim$300 m.w.e.) detectors are $4.37\pm0.49$ and $7.98\pm0.52$ respectively, in units of $10^{-8}\,\mathrm{\mu ^{-1}g^{-1}cm^{2} }$. The low overburdens of the near and far detectors gives a unique insight when combined with measurements by KamLAND and Borexino to give the first multi-experiment, data driven relationship between the $^9$Li yield and the mean muon energy according to the power law $Y = Y_0\left ^{\overline{\alpha}}$, giving $\overline{\alpha}=0.79\pm0.06$ and $Y_0=(0.29\pm0.09) imes 10^{-8}\,\mathrm{\mu ^{-1}g^{-1}cm^{2} }$. This relationship gives future liquid scintillator based nuclear reactor experiments the ability to predict their cosmogenic $^9$Li background rates.

연구 동기 및 목표

• 우주선 뮤온 스파라션에 의한 액체 스크린터 탐지기 내 $^{12}$C에서 생성된 천체성 $^9$Li 및 $^8$He 동위원소의 수율을 측정하기 위해.
• 반응기 뉴트리노 실험에 미치는 영향을 감안할 때 $^8$He가 관측 배경에 기여하는 정도를 확인하기 위해.
• 이중 추즈, 카미랜드, 보레크시노의 다중 실험 데이터를 활용하여 $^9$Li 수율과 평균 뮤온 에너지 간의 데이터 기반 관계를 수립하기 위해.
• 향후 액체 스크린터 기반 원자력 반응기 실험에서 천체성 $^9$Li 배경을 예측하기 위한 모델을 제공하기 위해.
• 다른 지하 깊이에서의 측정치를 조합하여 배경 비율 추정의 정확도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 액체 스크린터 탐지기를 사용하여 이중 추즈 근접(120 m.w.e.) 및 원거리(300 m.w.e.) 탐지기에서 $^9$Li 및 $^8$He 붕괴 사건을 측정하기 위해.
• 관측된 붕괴율을 $^9$Li 및 $^8$He 붕괴의 세밀한 시뮬레이션과 비교하여 $^9$Li 신호를 분리하고 $^8$He 기여도를 평가하기 위해.
• 두 가지 다른 지하 깊이에서의 측정 수율을 이용하여 $^9$Li 수율이 평균 뮤온 에너지에 따라 어떻게 의존하는지를 제약하기 위해.
• 데이터를 멱법칙 모델 $Y = Y_0 \cdot \bar{E}^{\bar{\alpha}}$에 적합시키며, 여기서 $Y$는 $^9$Li 수율, $\bar{E}$는 평균 뮤온 에너지이며, $Y_0$, $\bar{\alpha}$는 피팅 파라미터이다.
• 이중 추즈 결과를 기존의 카미랜드 및 보레크시노 데이터와 융합하여 다중 실험 기반, 데이터 기반의 $^9$Li 수율-에너지 관계 캘리브레이션을 유도하기 위해.
• 관측된 데이터와 시뮬레이션을 비교하여 $^8$He 기여도를 검증하였으며, 이는 0과 일치함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주선 뮤온 스파라션에 의한 액체 스크린터 탐지기 내 $^{12}$C에서 생성된 $^9$Li 및 $^8$He의 절대 수율은 다양한 지하 깊이에서 어떻게 되는가?
• RQ2 이중 추즈 탐지기에서 관측된 천체성 배경에 $^8$He가 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 $^9$Li 수율은 평균 뮤온 에너지에 따라 어떻게 변화하며, 이 관계를 가장 잘 기술하는 함수 형태는 무엇인가?
• RQ4 향후 반응기 뉴트리노 실험에서 배경 예측을 향상시키기 위해 데이터 기반, 다중 실험 캘리브레이션을 통해 $^9$Li 수율을 수립할 수 있는가?
• RQ5 이중 추즈, 카미랜드, 보레크시노의 통합 데이터셋에서 유도된 $^9$Li 수율 파라미터의 불확도는 무엇인가?

주요 결과

• $^8$He가 천체성 배경에 기여하는 정도는 0과 일치함을 확인하여 $^9$Li 신호에 미치는 영향이 미미함을 나타낸다.
• 근접 탐지기(120 m.w.e.)에서의 $^9$Li 수율은 $4.37 \pm 0.49 \times 10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$로 측정되었다.
• 원거리 탐지기(300 m.w.e.)에서의 $^9$Li 수율은 $7.98 \pm 0.52 \times 10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$로 측정되었다.
• 데이터에 대한 멱법칙 적합 결과, $^9$Li 수율이 평균 뮤온 에너지에 따라 의존하는 데 있어 $\overline{\alpha} = 0.79 \pm 0.06$를 도출하였다.
• 멱법칙 모델의 정규화 파라미터 $Y_0$는 $0.29 \pm 0.09 \times 10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$로 결정되었다.
• 유도된 $Y = Y_0 \cdot \bar{E}^{\bar{\alpha}}$ 관계는 향후 액체 스크린터 기반 반응기 실험에서 천체성 $^9$Li 배경 비율을 예측하는 데 유용한 도구가 된다.