ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 439-441
УДК 539.123,539.125.5,539.126.33
ГЕНЕРАЦИЯ НЕЙТРОНОВ ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ МЮОНАМИ ОТ НЕЙТРИННОГО ПУЧКА ИЗ ЦЕРНА
© 2015 г. Н. Ю. Агафонова, В. В. Ашихмин, В. Л. Дадыкин, Е. А. Добрынина, Р. И. Еникеев, А. С. Мальгин, В. В. Мануковский, О. Г. Ряжская, В. Г. Рясный, И. Р. Шакирьянова, А. В. Юдин, В. Ф. Якушев и коллаборация LVD
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований
Российской академии наук, Москва E-mail: foririnas@gmail.com
Представлены результаты по исследованию генерации нейтронов, образованных горизонтальными мюонами со средней энергией 16.5 ГэВ, рожденными от нейтринного пучка из ЦЕРНа в детекторе LVD за период с 2008 по 2011 г. Проведено моделирование генерации нейтронов горизонтальными мюонами методом Монте-Карло с помощью программного пакета Geant 4. Вычислены эффективности регистрации нейтронов от мюонов в установке LVD. Получены значения выхода нейтронов для сцинтиллятора (уайт-спирит) Усц = (3.6 ± 0.7) • 10—5п/ц • (г-1 • см2) и железа YFe = = (23.2 ± 4.6) • 10—5п/ц • (г-1 • см2).
DOI: 10.7868/S0367676515030047
ВВЕДЕНИЕ
Нейтроны являются фоном в подземных экспериментах по поиску нейтринного излучения от гравитационных коллапсов звезд и редких процессов, предсказываемых теорией. Фон от нейтронов, генерируемых мюонами, связанными с космическими лучами, существует на любой глубине. Он уменьшается с глубиной и становится постоянным при H > 15000 м в.э. Для меньших глубин этот фон обязан мюонам космических лучей. При H > 15000 м в.э. нейтроны генерируются мюонами, рожденными при взаимодействии атмосферных нейтрино, приходящих из областей близких к горизонту или с обратной стороны Земли, с грунтом, поэтому эксперименты, позволяющие измерить фон от нейтронов для разных веществ и глубин, очень важны.
В данной работе мы будем рассматривать нейтроны, образуемые мюонами, рожденными нейтринным пучком из ЦЕРНа, т. е. в горизонтальном направлении. Нам хорошо известны характеристики пучка нейтрино, поэтому мы можем предсказать состав, форму, энергетический спектр как самого нейтринного пучка, так и мюонов от нейтрино.
1. О ПРОЕКТЕ CNGS
Проект CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso: нейтрино из ЦЕРНа в Гран Сассо) — создан для изучения свойств нейтрино с помощью установок подземной Лаборатории Гран Сассо (Италия) [1]. Расстояние между ЦЕРНом и Гран Сассо около
732 км. Направление пучка составляет —3.265° от уровня горизонта.
Пучок протонов запускался в 2007—2011 гг. двумя экстракциями, каждая длительностью порядка 10.5 мкс. Протоны взаимодействуют с графитовой мишенью, образуя пионы и каоны, которые распадаются в вакуумном туннеле, рождая в основном мюонные нейтрино и (последние полностью поглощаются в грунте). Пучок CNGS в Гран Сассо помимо мюонных нейтрино состоит из малой доли мюонных антинейтрино, а также электронных нейтрино и антинейтрино. Энергетические спектры частиц получены методом Монте-Карло [2]. Средняя энергия нейтрино в пучке равна 17 ГэВ. Методом Монте-Карло был рассчитан и энергетический спектр отрицательных мюонов, приходящих к установкам лаборатории Гран Сассо.
2. ДЕТЕКТОР LVD
Основная задача детектора LVD — поиск нейтринного излучения от гравитационных коллапсов звезд в нашей Галактике [3].
Установка является железно сцинтилляцион-ным калориметром. Общая масса 2 кт, по 1 кило-тонне сцинтиллятора и железа. Детектор состоит из трех башен. Каждая башня представляет собой пять колонн, в которых на семи уровнях расположены железные модули (портатанки), содержащие по восемь счетчиков (танков). Счетчик размерами 1.5 х 1 х 1 м заполнен жидким сцинтилля-тором на основе уайт-спирита [4], масса которого равна примерно 1200 кг.
439
9*
440
АГАФОНОВА и др.
N 60 50 40 30 20 10
Entries 400 Mean 5985 RMS 2929
1 экстрация N ^ 60
50
40
30
20
10
4000 8000 12000 16000 20000 0 2000 6000 10000 14000 18000
8t, нс
2 экстрация
Entries 400 Mean 6722 RMS 2912
4000 8000 12000 16000 20000 2000 6000 10000 14000 18000
bt, нс
Рис. 1. Временные распределения мюонных событий в детекторе LVD. Толстая линия — усредненная протонная форма пучка в ЦЕРНе, тонкая — мюоны, зарегестрированные установкой.
0
3. ОТБОР ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ МЮОНОВ
При анализе экспериментальных данных используются события, в которых сработало более двух счетчиков с энерговыделением более 50 МэВ в каждом.
При запуске пучка протонов в ЦЕРНе ведется запись о времени его запуска, а также о текущей форме экстракции. Информация о времени запусков передается в Гран Сассо. Отбор событий проводился на основании имеющегося банка данных. Нейтрино проходят расстояние в 732 км в течение около 2.44 мс. На этом основании было принято решение искать события от пучка в LVD во временном диапазоне tLVD—tCERN = 2.44 ± 0.1 мс. За 2008—2011 гг. было зарегистрировано 98560 событий. Из них 55256 с суммарным энерговыделением в детекторе больше 1 ГэВ.
Направление прихода мюонов в основе своей совпадает с направлением нейтринного пучка. Средняя энергия спектра мюонов равна ~16.5 ГэВ.
Полученные распределения показали, что LVD регистрирует события с высокой точностью (рис. 1).
Средняя длина трека мюона во внутреннем объеме (400 танков) [5] в регистрирующем веществе детектора равна (/сц) = 406 ± 10 (г • см-2). Величина определялась по ионизационным потерям мюона в сцинтилляторе.
4. ГЕНЕРАЦИЯ НЕЙТРОНОВ МЮОНАМИ
Величина генерации нейтронов мюонами У„ определяется как число нейтронов, образуемых одним мюоном в 1 г • см-2 вещества. Эта величина
зависит от энергии мюонов как Е'75 [5] и равна
¥,= • I), (1)
где Ып — общее число нейтронов, генерированных мюонами, N — общее число мюонов, ^ — средняя длина трека (в г • см-2), которую проходит мюон в
i-том веществе. Число нейтронов Nn определяется по регистрации у-квантов, испускаемых после захвата тепловых нейтронов в основном протонами сцинтиллятора: np ^ D* ^ Dy, EY = 2.2 МэВ, т « ~ 180 мкс, а также ядрами железа в структуре LVD: nFe ^ Fe* ^ Fe(^y), (Eу) =7 МэВ, т ~ 100 мкс.
Число нейтронов в i-том веществе Nni вычисляется следующим образом:
Nni = Nf/s, (2)
где f — доля нейтронов, рожденных в i-том веществе, s = Ny/Nn — эффективность регистрации нейтронов в установке.
Из выражений (1) и (2) следует
Y = Nf/(N^s;). (3)
В детекторе LVD сигналы от у-квантов должны удовлетворять следующим условиям: для снижения фоновых эффектов выбираются только ближайшие к треку мюона восемь счетчиков, энерговыделение в счетчике находится в диапазоне от 1.5 до 10 МэВ (нижний порог регистрации установки составляет 0.5 МэВ), время регистрации от начала записи события — от 50 до 1000 мкс (1 мс — длительность открытия временных ворот телескопа). На рис. 2 представлено экспериментальное временное распределение гамма-квантов. Распределение профитировано программным пакетом ROOT функцией вида dNY/dt = N0 + Aexp(—t/т). Получены следующие величины параметров: уровень фона N0 = 343 ± 18, число гамма-квантов в начальный момент времени Ny(t = 0) = A = 1084 ± 59, показатель экспоненты т = 140 ± 13 мкс. Данное значение совпадает с полученным ранее т = 140 ± ± 27 мкс [6] для временного распределения гамма-квантов от захвата нейтронов вне трека мюона.
ГЕНЕРАЦИЯ НЕЙТРОНОВ ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ МЮОНАМИ
441
s1
Entries 40
Mean 375.9
RMS 243.8
X2/ndf 17.03/15
N0 342.7 ± 18.1
A 1084 ± 58.5
t 139.6 ± 13.1
1000 800 600 400 200
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
8?, мкс
Рис. 2. Временное распеределение гамма-квантов от
захваченных нейтронов.
5. РАСЧЕТ ГЕНЕРАЦИИ НЕЙТРОНОВ МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО
Всего было промоделировано 500000 мюонов, использован программный пакет ОеаП;4. Применялись те же критерии отбора к мюонам, как и для реальных событий (сигналы в пределах 250 нс от начала регистрации мюонных импульсов, минимум два счетчика с энерговыделением >4 МэВ, один с энерговыделением >50 МэВ). При поиске гамма-квантов применялись критерии, аналогичные экспериментальным. Доля нейтронов, рожденных в сцинтилляторе, равна /сц = 16%, рожденных в железе -/ре = 84%. Эффективность регистрации нейтронов ближайшими восемью счетчиками вокруг трека мюона равна б = 68%.
Из розыгрыша методом Монте-Карло была получена средняя длина, пройденная мюоном в железе (/Ре) = 327 ± 8 (г • см-2).
Таким образом, величина генерации нейтронов в расчете на один мюон с энергией (Е) ~ 16.5 ГэВ на
г • см-2 равна = (3.6 ± 0.7) • 10-5я/ц • (г-1 • см2) для сцинтиллятора и Уре = (23.2 ± 4.6) • 10-5я/ц • (г-1 • см2) для железа. Ошибка полученных величин Уц Ре связана с методом определения числа нейтронов, неопределенностями расчета длины треков мюона и ошибкой расчета эффективности регистрации в Монте-Карло-моделировании.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе приведены средние энергии спектра мюонов от нейтрино от ускорителя в ЦЕРНе, временные распределения совпадают с протонной формой пучка. С помощью детектора LVD измерена величина генерации нейтронов в расчете на один мюон со средней энергией (E) ~ 16.5 ГэВ на г • см-2. Для сцинтиллятора значение равно = (3.6 ± 0.7) •
• 10-5n/| • (г-1 • см2), для железа ZFe = (23.2 ± 4.6) •
• 10-5n/|i • (г-1 • см2).
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 12-02-00213_a, 15-02-01056), НШ 3110.2014.2 и программы фундаментальных исследований Президиума РАН "Фундаментальные свойства материи и астрофизика".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://proj-cngs.web.cern.ch/proj-cngs/Publications/ DescriptionGeneral.htm
2. http://www.mi.infn.it/~psala/Icarus/cngs.html
3. Aglietta M. et al. (LVD collaboration) // Il Nuovo Cimento. A. 1992. V. 105. P. 1793.
4. Воеводский А.В., Дадыкин В.Л., Ряжская О.Г. // ПТЭ. 1970. Т. 1. С. 85
5. Ряжская О.Г., Зацепин Г.Т. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1965. Т. 29. № 10. С. 1946.
6. Persiani R. Measurement of the muon-induced neutron flux at LNGS with the LVD experiment: PhD thesis, 2011, Bologna University.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.