[论文解读] Gamma Ray Spectra from Thermal Neutron Capture on Gadolinium-155 and Natural Gadolinium

Tomoyuki Tanaka, K. Hagiwara+19 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2019

Nuclear Physics and Applications参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文基于在J-PARC的MLF设施使用ANNRI高分辨率锗谱仪进行的高分辨率测量，提出了一种改进的蒙特卡洛模型（ANNRI-Gd），用于热中子在155Gd和天然钆上的γ射线谱。该模型在单光子和多光子事件中均与实验数据高度一致，解决了先前模拟中的差异，实现了中微子和暗物质实验中中子标记的高精度。

ABSTRACT

Natural gadolinium is widely used for its excellent thermal neutron capture cross section, because of its two major isotopes: $^{ m 155}$Gd and $^{ m 157}$Gd. We measured the $γ$-ray spectra produced from the thermal neutron capture on targets comprising a natural gadolinium film and enriched $^{ m 155}$Gd (in Gd$_{2}$O$_{3}$ powder) in the energy range from 0.11 MeV to 8.0 MeV, using the ANNRI germanium spectrometer at MLF, J-PARC. The freshly analysed data of the $^{ m 155}$Gd(n, $γ$) reaction are used to improve our previously developed model (ANNRI-Gd model) for the $^{ m 157}$Gd(n, $γ$) reaction, and its performance confirmed with the independent data from the $^{ m nat}$Gd(n, $γ$) reaction. This article completes the development of an efficient Monte Carlo model required to simulate and analyse particle interactions involving the thermal neutron captures on gadolinium in any relevant future experiments.

研究动机与目标

• 开发用于热中子在155Gd和天然钆上俘获后γ射线发射的精确蒙特卡洛模型，这对中微子和暗物质探测器中的中子标记至关重要。
• 解决现有蒙特卡洛模拟在γ射线谱方面存在的差异，特别是2–3 MeV区域中M1/E2跃迁引起的精细结构至关重要。
• 通过整合新测量的155Gd(n,γ)数据，改进ANNRI-Gd模型，提升其在155Gd和157Gd反应中的准确性。
• 通过独立的nat Gd(n,γ)数据验证模型，确认其在复杂探测器模拟中的可靠性。
• 为未来Gd掺杂探测器中中子相互作用的模拟，提供一个完整、高效且经过实验验证的模型。

提出的方法

• 使用J-PARC MLF设施的高分辨率、低本底ANNRI高纯锗谱仪，测量富集155Gd和天然钆的热中子俘获γ射线谱。
• 获取高统计量和优异能量分辨率（0.11–8.0 MeV）的数据，实现对单光子和多光子事件（M=1, M=2, M=3）的详细分析。
• 开发蒙特卡洛模型（ANNRI-Gd），整合能级密度分布、自旋宇称分配以及正负宇称态的电磁跃迁强度（E1, M1, E2）。
• 利用测量的155Gd(n,γ)谱校准模型，并通过nat Gd(n,γ)数据验证，确保同位素间的一致性。
• 通过高保真度建模离散能级结构和衰变方案，考虑级联跃迁和多重性分布（如M1H1, M1H2, M2H2）。
• 通过与DANCE实验和先前文献的独立数据对比，以及与Daya Bay合作组模型的比较，验证模型性能，证明其优越的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 蒙特卡洛模型在多大程度上能精确模拟热中子在155Gd和天然钆上俘获的完整γ射线能量谱？
• RQ2 低激发M1和E2跃迁（如剪刀模式）在2–3 MeV能量区间的γ射线谱形塑中起什么作用？如何实现其可靠建模？
• RQ3 新提出的ANNRI-Gd模型在多大程度上解决了先前对155Gd(n,γ)和157Gd(n,γ)反应蒙特卡洛模拟中观察到的差异？
• RQ4 该模型能否准确再现多光子事件的多重性（M=2, M=3）及其在衰变级联中的相对比例？
• RQ5 当应用于天然钆（包含多个捕获截面和γ射线产额不同的同位素）时，该模型表现如何？

主要发现

• ANNRI-Gd模型在0.11–8.0 MeV全能量范围内，200 keV能量通道下，与测量的155Gd(n,γ)谱的偏差控制在约17%以内。
• 对于单光子事件（M=1），模型与实验数据高度一致，包括主要的M1H1和M1H2子样本，数据与蒙特卡洛比值在大部分光谱区域保持在10%以内。
• 对于多光子事件（M=2和M=3），模型在155Gd和nat Gd情况下均以高保真度再现了M2H2和M3H3样本的相对比例和谱形。
• 通过准确捕捉2–3 MeV区域的总体谱形和精细结构（其中M1/E2跃迁起关键作用），模型解决了先前模拟中的差异。
• 与Daya Bay合作组模型对比显示，ANNRI-Gd模型在2 MeV以上与Model 1（原生Geant4）一致性最佳，但在2 MeV以下提供显著更准确的描述。
• 通过引入155Gd(n,γ)数据，实现了155Gd和157Gd的完整、自洽模型，完成了天然钆中子俘获模拟的完整框架。