[论文解读] Effect of pressure and temperature corrections on muon flux variability at ground level and underground

Mihailo Savić, A. Dragić+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究利用积分方法和GFS大气模型，评估了贝尔格莱德地面及地下环境中气压与温度校正对μ子通量变化的影响。结果表明，联合校正显著降低了由大气引起的噪声，提升了对非大气宇宙射线变化的敏感度，校正后与中子监测仪数据的相关性得到改善。

ABSTRACT

In Low Background Laboratory at Institute of Physics Belgrade, plastic scintillators are used to continuously monitor flux of the muon component of secondary cosmic rays. Measurements are performed on the surface as well as underground (25 m.w.e depth). Temperature effect on muon component of secondary cosmic rays is well known and several methods to correct for it are already developed and widely used. Here, we apply integral method to calculate correction coefficients and use GFS (Global Forecast System) model to obtain atmospheric temperature profiles. Atmospheric corrections reduce variance of muon flux and lead to improved sensitivity to transient cosmic ray variations. Influence of corrections on correlation with neutron monitor data is discussed.

研究动机与目标

• 评估大气压力与温度对贝尔格莱德地面及地下站点μ子通量变化的影响。
• 应用积分方法，利用GFS大气温度廓线进行温度校正。
• 通过消除气象噪声，提高μ子通量测量对非大气宇宙射线变化的敏感度。
• 通过谱分析与中子监测仪数据的相关性，验证校正的有效性。
• 为低本底环境下的长期宇宙射线监测建立稳健、基于数据的校正框架。

提出的方法

• 应用积分方法，利用GFS模型提供的大气温度廓线计算温度校正系数。
• 使用气压系数公式：(δI/I)ₚ = β·δP，其中 δP = P - P_B，量化由气压引起的通量变化。
• 通过将五个本地站点的气压数据归一化并插值至5分钟时间分辨率，实现气压与温度校正的联合处理。
• 将温度系数密度函数（α(h)）对大气深度进行积分，计算 (δI/I)ₜ = ∫₀ʰ₀ α(h)·δT(h)·dh。
• 采用三次样条插值法，将6小时GFS温度数据插值至5分钟时间分辨率。
• 通过探空仪数据验证模型温度廓线，并使用地面测量数据确定最低等压面的温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 贝尔格莱德地面及地下站点的气压与温度变化如何影响μ子通量？
• RQ2 应用气压与温度校正后，μ子通量时间序列中的虚假变化减少到何种程度？
• RQ3 GFS模型能否为贝尔格莱多地区μ子通量校正提供足够精确的大气温度廓线？
• RQ4 温度校正对μ子通量年周期性的谱功率有何影响？
• RQ5 校正后的μ子通量是否显示出与中子监测仪数据更高的相关性，表明对原初宇宙射线变化的敏感度得到提升？

主要发现

• 气压与温度校正显著降低了地面及25 m.w.e.地下深度处μ子通量中由非宇宙射线因素引起的波动。
• 谱分析显示，温度校正后年周期性峰的功率明显降低，表明热调制效应得到有效消除。
• 2008–2015年的气压系数通过归一化通量与气压变化的线性拟合得出，年度值见图4。
• 温度系数密度函数（图6）显示地表与地下条件存在显著差异，支持深度依赖性校正。
• 校正后μ子通量时间序列在2015年与BAKSAN中子监测仪数据的吻合度显著提高，如图9所示，表明对原初宇宙射线变化的敏感度增强。
• GFS模型为校正提供了足够准确的温度廓线，与探空仪数据总体一致，仅在最低等压面存在偏差。