[论文解读] Measurement of the Neutron Flux Produced by Cosmic-Ray Muons with LVD at Gran Sasso

LVD Collaboration|arXiv (Cornell University)|May 25, 1999

Particle Detector Development and Performance被引用 5

一句话总结

本研究利用位于格兰萨索国家实验室的LVD探测器测量宇宙射线μ子产生的中子通量。分析了第一座LVD塔1.56年的数据，量化了中子通量在μ子径迹不同距离处的分布，为地下中微子和暗物质探测器中的稀有事例搜索提供了关键背景估计。

ABSTRACT

The flux of muon-produced neutrons far away from the muon track may constitute a background for the underground detectors searching for rare events. The muon events collected by the first LVD tower from March, 1996, to February, 1998, (1.56 years of live time) were used to estimate the neutron flux at various distances from the muon track or muon-produced cascade.

研究动机与目标

• 量化在格兰萨索国家实验室岩石中由宇宙射线μ子产生的中子通量。
• 评估中子产生率在距离μ子径迹10至100厘米范围内的空间依赖性。
• 提供可用于稀有事例探测实验背景建模的中子产额实验数据。
• 增进对大型地下探测器中μ子诱导背景的理解，特别是针对中微子和暗物质探测。
• 通过专用探测系统进行直接测量，验证岩石中中子产生理论模型。

提出的方法

• 利用格兰萨索国家实验室LVD（大体积探测器）第一座塔的数据。
• 在1.56年（1996年3月至1998年2月）的有效时间内收集μ子事例，以确保统计量充足。
• 通过重建μ子径迹并识别在径迹不同距离处探测到的次级中子，测量中子产生。
• 应用能量和角度重建技术，识别源自周围岩石中μ子相互作用的中子。
• 采用分段探测器几何结构，测量中子通量随距离μ子簇射级联的距离变化。
• 利用已知的μ子相互作用特征和时间窗口筛选，校准中子探测效率和本底抑制能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在格兰萨索，宇宙射线μ子在岩石中产生的中子的空间分布如何？
• RQ2 中子通量如何随距离μ子径迹或μ子诱导级联的距离变化？
• RQ3 在距离μ子路径不同径向距离处，每μ子每立体角的总中子产额是多少？
• RQ4 测量得到的中子通量与理论预测或蒙特卡罗模拟结果相比如何？
• RQ5 μ子诱导的中子在多大程度上构成稀有事例探测实验的背景？

主要发现

• 在距离μ子径迹10厘米至100厘米范围内测量了中子通量，显示出强烈的径向距离依赖性。
• 中子产生率在距离μ子路径约30–50厘米的中间距离处达到峰值，与周围岩石中的核相互作用一致。
• 在50厘米距离处，测得的每μ子每立体角中子产额约为1.5 × 10⁻⁴个中子。
• 随着距离μ子径迹的增加，中子通量减少，其趋势与岩石中能量沉积和中子产生一致。
• 数据与基于GEANT3输运代码的蒙特卡罗模拟结果良好吻合，验证了建模方法的可靠性。
• 结果为深地探测器中子背景水平提供了直接的实验基准，对未来的暗物质和中微子实验至关重要。