[论文解读] Measurement of the muon-induced neutron seasonal modulation with LVD

N. Yu. Agafonova|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用中子捕获产生的伽马射线脉冲，在意大利LVD探测器中对15年来μ子诱导中子的季节性调制进行了测量。分析显示，每个μ子产生的中子幅度为7.7%，表明在3650米水当量深度，平均μ子能量存在10%的季节性增加，该效应主导于强度变化，解释了中子通量调制幅度远高于仅由μ子强度变化引起的六倍增强。

ABSTRACT

Cosmic ray muons with the average energy of 280 GeV and neutrons produced by muons are detected with the Large Volume Detector at LNGS. We present an analysis of the seasonal variation of the neutron flux on the basis of the data obtained during 15 years. The measurement of the seasonal variation of the specific number of neutrons generated by muons allows to obtaine the variation magnitude of of the average energy of the muon flux at the depth of the LVD location. The source of the seasonal variation of the total neutron flux is a change of the intensity and the average energy of the muon flux.

研究动机与目标

• 精确测量LVD探测器中μ子诱导中子产生的季节性变化。
• 确定观测到的中子通量调制是否主要由μ子强度变化或平均能量变化引起。
• 通过分析每个μ子的中子产额，分离出μ子能量变化对总中子通量调制的贡献。
• 增进对大气和宇宙射线效应在地下μ子和中子通量中影响的理解。

提出的方法

• 分析了2001年至2016年LVD探测器运行15年的数据，重点关注性能稳定的内层计数器。
• 通过n+p → d+γ反应产生的2.2 MeV伽马射线以及n+Fe相互作用产生的更高能伽马射线探测中子。
• 每个μ子的特定中子产额计算为$ N_n/N_{tr} $，其中$ N_n $为探测到的中子数，$ N_{tr} $为μ子触发数。
• 背景脉冲通过时间窗口（450–750 μs）估算，并从50–350 μs信号窗口中扣除。
• 采用两种独立方法：对月度数据进行周期折叠分析，以及比较夏季（6–8月）与冬季（12–2月）月份的残差。
• 通过幂律依赖关系$ N_n \propto E_\mu^{0.78} $将中子产额变化与μ子能量变化关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在3650米水当量深度，μ子诱导中子产生的季节性调制的幅度和相位是多少？
• RQ2 μ子能量的季节性变化在多大程度上导致了观测到的中子通量调制？
• RQ3 每个μ子的中子产额在夏季与冬季月份之间如何变化，这暗示了μ子能量的何种变化？
• RQ4 中子通量调制主要由μ子强度还是μ子能量变化驱动？
• RQ5 在LVD探测器深度，μ子通量的平均能量存在多大的季节性变化？

主要发现

• 每个μ子产生的μ子诱导中子特定数量的季节性调制幅度为$ \delta N_n/N_n = 7.7 \pm 0.8\% $，由两种独立方法验证。
• 调制的相位为$ \phi = 7.0 \pm 0.4 \, \text{months} $（统计误差）$ \pm 0.5 \, \text{months} $（系统误差）。
• 观测到的中子产额调制意味着在LVD探测器深度，平均μ子能量存在10%的季节性增加，$ \delta E_\mu/E_\mu = 10\% \pm 2.8\% $。
• 总中子通量调制幅度为$ \delta \Phi_n = 9.3\% $，主要由能量变化主导，而非强度变化。
• 由于中子产额对能量的强依赖性，中子通量变化幅度是仅由μ子强度变化引起的1.5%调制的六倍。
• 幂律依赖关系$ N_n \propto E_\mu^{0.78} $得到证实，为μ子能量与中子产额之间建立了稳健关联。