[论文解读] Study of Cosmogenic Neutron Backgrounds at LNGS

A. Empl, R. Jasim+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 28被引用 4

一句话总结

本研究验证了FLUKA蒙特卡罗模拟代码在深地探测器中模拟宇宙射线中子本底的适用性，重点关注位于洛斯阿拉莫斯国家实验室（LNGS）的DarkSide-50和DarkSide-G2液氩两相实验。结果表明，双主动 veto 系统能有效抑制μ子诱发的中子，预测DarkSide-50每年仅有0.3起漏触发事件，DarkSide-G2配置则为0.6起，证实了模拟结果在后续本底预测中的可靠性。

ABSTRACT

Cosmic muon interactions are important contributors to backgrounds in underground detectors when searching for rare events. Typically neutrons dominate this background as they are particularly difficult to shield and detect in a veto system. Since actual background data is sparse and not well documented, simulation studies must be used to design shields and predict background rates. This means that validation of any simulation code is necessary to assure reliable results. This work studies the validation of the FLUKA simulation code, and reports the results of a simulation of cosmogenic background for a liquid argon two-phase detector embedded within a water tank and liquid scintillator shielding.

研究动机与目标

• 将FLUKA模拟代码与现有实验数据进行对比，验证其在地下环境中对宇宙射线中子本底的预测能力。
• 预测LNGS处DarkSide-50和DarkSide-G2液氩探测器的中子本底率。
• 评估双主动veto系统（LSV和CTF）在抑制μ子诱发中子方面的有效性。
• 利用Borexino实验的数据为未来宇宙射线中子测量提供基准参考。
• 提升对下一代直接暗物质搜寻实验中基于模拟的本底预测的信心。

提出的方法

• 采用FLUKA2011.2蒙特卡罗代码模拟LNGS地下环境中μ子诱发的粒子相互作用及中子产生过程。
• 利用CERN μ子束实验的基准数据以及铅和铀靶上的光致核反应测量数据，验证FLUKA的预测结果。
• 模拟了嵌入水箱中、配备液态闪烁体和切伦科夫veto（CTF）屏蔽的液氩两相探测器。
• 追踪中子在液氩探测体积及veto探测器中的输运过程与能量沉积，应用能量阈值和PMT信号判据。
• 采用36年模拟的运行时间，估算长期本底率与抑制效率。
• 将结果与先前模拟进行比较，评估差异，包括对12C上(γ,n)反应截面的修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 FLUKA模拟代码在像LNGS这样的深地设施中，对宇宙射线中子本底的预测精度如何？
• RQ2 DarkSide-50和DarkSide-G2液氩探测器在LNGS处的预期中子本底率是多少？
• RQ3 双主动veto系统（LSV和CTF）在抑制μ子诱发中子方面有多高效？
• RQ4 模拟预测与现有μ子诱发中子通量实验数据的吻合程度如何？
• RQ5 未来Borexino实验数据将在多大程度上提升宇宙射线中子模拟的验证水平？

主要发现

• FLUKA模拟在μ子-核相互作用和光致核反应方面与实验基准数据高度一致，验证了其在宇宙射线本底研究中的适用性。
• 模拟预测在DarkSide-G2实验中，每年约有581个宇宙射线μ子诱发的中子事件进入液氩探测体积。
• 对于DarkSide-50，每年仅有0.3起事件未能在CTF v​​eto中触发至少三个PMT，表明探测效率极高。
• 在LSV中能量沉积低于1 MeV的情况，DarkSide-G2每年仅发生0.6起，证实了对低能中子的有效抑制。
• 双veto系统可为吨级DarkSide-G2配置提供超过5年运行所需的足够本底抑制。
• 研究发现12C上(γ,n)反应截面存在微小偏差，但先前工作中提出的修正被证明无效，进一步强化了FLUKA的可靠性。