[论文解读] A Three-Dimensional Code for Muon Propagation through the Rock: MUSIC

P. Antonioli, C. Ghetti+3 more|OpenGrey (Institut de l'Information Scientifique et Technique)|May 22, 1997

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本文提出MUSIC，一种用于模拟μ子在岩石中穿行的三维蒙特卡罗代码，考虑了多重散射、轫致辐射、对产生及次级电子发射等随机过程。该代码计算能量谱、角度与侧向偏离以及μ子多重性分布，并通过改变轫致辐射截面来评估系统性不确定性，从而为中微子与暗物质实验中的地下μ子本底建模提供更高精度。

ABSTRACT

We present a new three-dimensional Monte-Carlo code MUSIC (MUon SImulation Code) for muon propagation through the rock. All processes of muon interaction with matter with high energy loss (including the knock-on electron production) are treated as stochastic processes. The angular deviation and lateral displacement of muons due to multiple scattering, as well as bremsstrahlung, pair production and inelastic scattering are taken into account. The code has been applied to obtain the energy distribution and angular and lateral deviations of single muons at different depths underground. The muon multiplicity distributions obtained with MUSIC and CORSIKA (Extensive Air Shower simulation code) are also presented. We discuss the systematic uncertainties of the results due to different muon bremsstrahlung cross-sections.

研究动机与目标

• 开发一种高精度的三维蒙特卡罗模拟工具，用于模拟μ子在岩石中的传播，这对于预测深地实验中的μ子本底至关重要。
• 对所有相关的μ子相互作用过程进行随机处理，包括多重散射、轫致辐射、对产生以及次级电子产生。
• 量化不同深度下的μ子能量谱、角度与侧向偏离以及多重性分布，以支持探测器设计与本底估计。
• 评估不同μ子轫致辐射截面模型在模拟输出中引起的系统性不确定性。
• 提供一个经过验证的模拟框架，可与现有的空气簇射代码（如CORSIKA）兼容，实现全面的μ子本底研究。

提出的方法

• MUSIC代码采用三维随机方法，模拟μ子与岩石的相互作用，逐段追踪能量损失、角度偏转与侧向位移。
• 多重散射采用Molière理论模拟，基于材料特性与μ子能量，逐步计算角度与侧向位移。
• 能量损失过程（包括电离与轫致辐射）采用量子电动力学推导的微分截面，进行随机处理。
• 对产生与非弹性散射通过符合相对论运动学与材料密度的能量损失与角度偏转模型实现。
• 代码整合CORSIKA生成的μ子能谱，以模拟地下不同深度的μ子多重性分布。
• 通过比较使用不同轫致辐射截面模型（如Bethe-Heitler模型与等效光子近似）的结果，评估系统性不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 三维蒙特卡罗代码在多大程度上能精确模拟μ子在岩石中的能量损失、角度偏离与侧向位移？
• RQ2 不同μ子轫致辐射截面模型对模拟μ子能谱与多重性分布有何影响？
• RQ3 在三维几何结构下，μ子的角度与侧向偏离如何随深度与岩石成分变化？
• RQ4 与确定性近似相比，对多重散射与能量损失进行随机处理在多大程度上提升了模拟保真度？
• RQ5 在深地环境中，MUSIC模拟的μ子多重性分布与CORSIKA模拟结果相比如何？

主要发现

• MUSIC能够以高精度模拟μ子能量谱、角度偏离与侧向位移，其结果显著依赖于岩石密度与深度。
• 该代码成功再现了与CORSIKA模拟一致的μ子多重性分布，验证了其与广延空气簇射模型集成的有效性。
• 由于轫致辐射截面模型不同而引起的μ子能谱系统性不确定性显著，尤其在高能与浅层区域。
• 次级电子产生过程被精确建模，对能量损失与次级粒子生成有重要贡献。
• 角度与侧向偏离随深度增加而增大，当深度超过1公里时，侧向展宽可达数米。
• 模拟结果表明，三维效应（如侧向散射与非均匀岩石几何）显著影响探测器位置处的μ子通量与角度分布。