[论文解读] Measurement of atmospheric muon angular distribution using a portable setup of liquid scintillator bars

Hariom Sogarwal, P. Shukla|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 20被引用 8

一句话总结

本研究提出一种便携式四连杆液态闪烁体装置，采用双端光电倍增管读出和8通道数字化仪，用于测量大气μ子的方位角分布和通量。通过结合能量沉积、精确时间测量和脉冲形状鉴别（PSD），该方法重建了二维μ子轨迹，并在印度孟买海平面处测得垂直μ子通量为66.70 ± 0.36（统计）± 1.50（系统）/m²/sr/s，其天顶角依赖关系为cosⁿθ（n = 2.10 ± 0.05（统计）± 0.25（系统）），动量阈值为255 MeV/c。

ABSTRACT

Measurements of cosmogenic particles at various locations and altitudes are becoming increasingly important in view of worldwide interests in rare signals for search of new physics. In this work, we report measurement of muon zenith angle distributions and integrated flux using a portable setup of four one-meter long liquid scintillator bars. Each scintillator bar is read out from both sides via photomultiplier tubes followed by an 8-channel Digitizer. We exploit energy deposition and excellent timing of scintillators to construct two dimensional tracks and hence angles of charged particles. We use liquid scintillators since they have an added advantage of pulse shape discrimination (PSD) which can be used for detecting muon induced particles. The energy deposition, time window of event and PSD cuts are used to reduce the random as well as correlated backgrounds. In addition, we propose three track quality parameters which are applied to obtain a clean muon spectrum. The zenith angle measurement is performed upto $60^\circ$. With our improved analysis, we demonstrate that a setup of 3 bars can also be used for quicker and precise measurements. The vertical muon flux measured is $66.70 \pm 0.36 \pm 1.50$ $/m^2/sr/s$ with $n=2.10 \pm 0.05 \pm 0.25 $ in $\cos^n heta$ at the location of Mumbai, India ($19^{\circ}$N, $72.9^{\circ}$E) at Sea level with a muon momentum above $255$ MeV/$c$. The muon flux has dependence on various factors, the most prominents are latitudes, altitudes and momentum cut of muon so that portable setup like this can be a boon for such measurements at various locations.

研究动机与目标

• 开发一种便携式、低成本的装置，用于在不同地理位置测量大气μ子的方位角分布与通量。
• 通过液态闪烁体中的能量沉积、时间分辨率和脉冲形状鉴别（PSD）技术，提升μ子探测中的本底抑制能力。
• 优化探测器几何结构与轨迹重建方法，将天顶角覆盖范围扩展至60°，并保持高角分辨率。
• 验证仅使用三根闪烁体条是否可实现快速、精确的μ子通量测量。
• 提供μ子通量与谱指数n在cosⁿθ分布中的系统不确定度预算，以支持与全球测量结果的交叉比较。

提出的方法

• 四根一米长的液态闪烁体条通过两端的光电倍增管和8通道数字化仪读出，以捕获时间与能量信息。
• 通过比较光电倍增管之间的飞行时间差实现位置分辨率，结合能量沉积实现粒子识别，完成μ子轨迹重建。
• 应用脉冲形状鉴别（PSD）技术，通过区分μ子样脉冲与非μ子事件，抑制γ射线及其他粒子的本底。
• 引入三种新型轨迹质量参数，用于过滤低质量轨迹，提升μ子能谱中的信号纯度。
• 利用垂直方向的宇宙射线μ子在十字形几何结构中进行位置标定，时间-位置标定经优化以最小化系统误差。
• 采用基于实测能量分布的蒙特卡罗模拟，计算每种探测器构型的几何接受度与效率修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有四根一米长条状液态闪烁体的便携式装置是否能实现对天顶角达60°的μ子方位角分布的精确测量？
• RQ2 在液态闪烁体中，脉冲形状鉴别（PSD）在多大程度上提升了μ子通量测量中的信噪比？
• RQ3 探测器几何结构的变化（如条间距离与探测器取向）如何影响测得的μ子通量与cosⁿθ分布中的谱指数n？
• RQ4 三根条状探测器配置是否可提供与四根条状探测器相当的精度，从而实现更快捷、更易部署的测量？
• RQ5 μ子通量与谱指数测量中的主要系统不确定度来源是什么，以及它们如何被量化？

主要发现

• 在印度孟买（19°N，72.9°E）海平面处测得的垂直μ子通量为66.70 ± 0.36（统计）± 1.50（系统）/m²/sr/s，动量阈值为255 MeV/c。
• 天顶角分布符合I(θ) = I₀cosⁿθ，其中n = 2.10 ± 0.05（统计）± 0.25（系统），表明其对μ子动量和地磁纬度具有强依赖性。
• 该装置成功区分了下向与上向μ子轨迹，实现了方向敏感性与本底抑制。
• 通过10种不同的探测器构型（包括几何结构变化、探测器互换与时间-位置标定调整），系统误差被最小化，通量总系统误差为2.2%，n值系统误差为12%。
• 本研究证明，三根条状配置可实现精确且快速的μ子通量测量，显著减少部署时间与复杂度。
• 本测量结果高于此前Pal等（2017）基于RPC的测量结果（动量阈值280 MeV/c），因本研究采用更低的动量阈值（255 MeV/c），且尽管系统不确定度更低，结果在误差范围内仍保持一致。