[论文解读] Yields and production rates of $^9$Li and $^8$He measured with the Double Chooz near and far detectors

H. de Kerret, T. Abrahão+96 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究利用双查兹近点和远点探测器测量了宇宙μ子撞击$^{12}$C引起的$^9$Li和$^8$He产额，发现在120 m.w.e.处$^9$Li产额为$4.37\pm0.49\times10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$，在300 m.w.e.处为$7.98\pm0.52\times10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$。数据表明$^9$Li产额与平均μ子能量之间存在幂律关系，其中$\overline{\alpha}=0.79\pm0.06$，$Y_0=0.29\pm0.09\times10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$，该结果可显著提升未来液态闪烁体反应堆实验中的本底预测精度。

ABSTRACT

The yields and production rates of the radioisotopes $^9$Li and $^8$He created by cosmic muon spallation on $^{12}$C have been measured by the Double Chooz experiment. Comparing the data to a detailed simulation of the $^9$Li and $^8$He decays, the contribution of the $^8$He radioisotope is found to be compatible with zero. The observed $^9$Li yields in the near ($\sim$120 m.w.e overburden) and far ($\sim$300 m.w.e.) detectors are $4.37\pm0.49$ and $7.98\pm0.52$ respectively, in units of $10^{-8}\,\mathrm{\mu ^{-1}g^{-1}cm^{2} }$. The low overburdens of the near and far detectors gives a unique insight when combined with measurements by KamLAND and Borexino to give the first multi-experiment, data driven relationship between the $^9$Li yield and the mean muon energy according to the power law $Y = Y_0\left ^{\overline{\alpha}}$, giving $\overline{\alpha}=0.79\pm0.06$ and $Y_0=(0.29\pm0.09) imes 10^{-8}\,\mathrm{\mu ^{-1}g^{-1}cm^{2} }$. This relationship gives future liquid scintillator based nuclear reactor experiments the ability to predict their cosmogenic $^9$Li background rates.

研究动机与目标

• 测量宇宙μ子撞击液态闪烁体探测器中$^{12}$C产生的宇宙成因$^9$Li和$^8$He同位素的产额。
• 确定$^8$He对观测到的本底的贡献，鉴于其可能对反应堆中微子实验造成的影响。
• 利用双查兹、KamLAND和Borexino的多实验数据，建立$^9$Li产额与平均μ子能量之间的数据驱动关系。
• 为未来基于液态闪烁体的核反应堆实验提供宇宙成因$^9$Li本底的预测模型。
• 通过在不同覆盖层水平下进行测量，提升本底率估算的准确性。

提出的方法

• 利用液态闪烁体探测器测量双查兹近点（120 m.w.e.）和远点（300 m.w.e.）探测器中的$^9$Li和$^8$He衰变事件。
• 将观测到的衰变率与$^9$Li和$^8$He衰变的详细模拟结果进行比较，以分离$^9$Li信号并评估$^8$He的贡献。
• 利用两个不同覆盖层水平下的测量产额，约束$^9$Li产额对平均μ子能量的幂律依赖关系。
• 将数据拟合至幂律模型$Y = Y_0 \cdot \bar{E}^{\bar{\alpha}}$，其中$Y$为$^9$Li产额，$\bar{E}$为平均μ子能量，$Y_0$和$\bar{\alpha}$为拟合参数。
• 将双查兹实验结果与现有的KamLAND和Borexino数据相结合，建立多实验、数据驱动的$^9$Li产额-能量关系校准。
• 通过对比观测数据与模拟结果验证$^8$He的贡献，发现其与零一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同覆盖层水平下，宇宙μ子撞击液态闪烁体探测器中$^{12}$C产生的$^9$Li和$^8$He的绝对产额是多少？
• RQ2 $^8$He在双查兹探测器中观测到的宇宙成因本底中贡献有多大？
• RQ3 $^9$Li产额如何随平均μ子能量变化？何种函数形式最能描述这一关系？
• RQ4 能否建立一个基于数据的、多实验校准的$^9$Li产额模型，以提升未来反应堆中微子实验的本底预测精度？
• RQ5 从双查兹、KamLAND和Borexino的联合数据集中推导出的$^9$Li产额参数的不确定性是多少？

主要发现

• $^8$He对宇宙成因本底的贡献与零一致，表明其对$^9$Li信号的影响可忽略不计。
• 在近点探测器（120 m.w.e.）中测得的$^9$Li产额为$4.37 \pm 0.49 \times 10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$。
• 在远点探测器（300 m.w.e.）中测得的$^9$Li产额为$7.98 \pm 0.52 \times 10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$。
• 对数据进行幂律拟合，得到$^9$Li产额对平均μ子能量依赖关系的参数$\overline{\alpha} = 0.79 \pm 0.06$。
• 幂律模型中的归一化参数$Y_0$确定为$0.29 \pm 0.09 \times 10^{-8}\ \mathrm{\mu^{-1}g^{-1}cm^2}$。
• 所推导的$Y = Y_0 \cdot \bar{E}^{\bar{\alpha}}$关系为未来液态闪烁体反应堆实验中的宇宙成因$^9$Li本底率提供了有效的预测工具。