научная статья по теме ИЗМЕРЕНИЕ ЧИСЛА НЕЙТРОНОВ, ГЕНЕРИРОВАННЫХ МЮОНАМИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ЖЕЛЕЗЕ, С ПОМОЩЬЮ ДЕТЕКТОРА LVD Физика

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕРЕНИЕ ЧИСЛА НЕЙТРОНОВ, ГЕНЕРИРОВАННЫХ МЮОНАМИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ЖЕЛЕЗЕ, С ПОМОЩЬЮ ДЕТЕКТОРА LVD»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 436-438

УДК 539.125.5,539.126.33

ИЗМЕРЕНИЕ ЧИСЛА НЕЙТРОНОВ, ГЕНЕРИРОВАННЫХ МЮОНАМИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ЖЕЛЕЗЕ, С ПОМОЩЬЮ ДЕТЕКТОРА LVD

© 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: Natagafonova@gmail.com

На установке LVD проводится эксперимент по измерению числа нейтронов, генерируемых мюона-ми в железе (Fe) и свинце (Pb). В связи с этим выполнена полная Монте-Карло-симуляция, в которой учитывалась реальная геометрия эксперимента. Получены первые результаты. Выход нейтронов в железе, генерируемых мюонами со средней энергией 280 ГэВ, составил 16 • 10—4 и/ц/(г • см-2).

DOI: 10.7868/S0367676515030035

1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Установка LVD (детектор большого объема) расположена в подземной лаборатории Гран Сассо (Италия) на глубине = 3650 м в. э. [1]. LVD — многоцелевой эксперимент, основная задача которого — поиски нейтринного излучения гравитационного коллапса звездных ядер. По этой программе детектор работает с 1992 г. [2]. LVD состоит из трех башен, содержащих 840 сцинтилляционных счетчиков размером 1.5 х 1 х 1 м, собранных в железные модули — портатанки. Масса железа, окружающего один счетчик, около 1.1 тонны.

Эксперимент по измерению числа нейтронов, генерированных мюонами в исследуемом веществе, проводится с помощью вертикальных пар счетчиков (расположенных один над другим), и конструкции для введения между счетчиками дополнительного вещества (например, пластин железа или свинца) (рис. 1).

14 мая 2013 г. между счетчиками 3446 и 3436 было установлено железо, масса которого 470 кг. Пластины железа общей толщиной 4 см придвинуты ко дну верхнего счетчика вплотную.

Мюон, пересекая пару счетчиков с введенным веществом между ними, образует дополнительное количество нейтронов. Увеличение числа нейтронов в расчете на один мюон относится к нейтронам, рожденным в железе на длине пробега мюона в г • см-2.

2. ОТБОР МЮОННЫХ СОБЫТИЙ И РЕГИСТРАЦИЯ НЕЙТРОНОВ

В эксперименте отбирались мюоны, прошедшие через выбранную пару счетчиков с суммарным энерговыделением больше 200 МэВ, и в каж-

дом из них энерговыделение должно быть >10 МэВ. Для уменьшения фона выбирались внутренние счетчики детектора. были отобраны три пары счетчиков, из которых пока включена в эксперимент одна. Экспериментальные данные образуют две

Рис. 1. Схема эксперимента по измерению выхода нейтронов от мюонов в железе.

ИЗМЕРЕНИЕ ЧИСЛА НЕЙТРОНОВ, ГЕНЕРИРОВАННЫХ МЮОНАМИ

437

временные группы: а) до установки дополнительного железа в период с 1/1/2009 до 31/12/2012 и б) после установки железа 14/05/2013-14/05/2014.

Регистрация нейтронов производится по у-квантам, испускаемым в результате радиационного захвата тепловых нейтронов протонами сцинтиллятора и ядрами железа в структуре LVD. Число нейтронов определяется по временному распределению низкоэнергетичных импульсов (1-12 МэВ) во временном окне 50— 550 мкс после прохождения мюона [3]. Для аппроксимации временного распределения использован закон

Nn(t) = N0 • exp(-t/T) + B, (1)

где т = 145 мкс — экспонента захвата термализо-ванного нейтрона в сцинтилляторе, B = const, зависит от фоновых условий счетчика.

До установки железа было отобрано N* = = 20379 мюонов, прошедших через выбранную пару счетчиков. Этому числу мюонов соответствовало N = 598 нейтронов. На рис. 2 (а, б) представлены временные и энергетические распределения импульсов, ассоциируемых с радиационными гамма-квантами.

В период б) зарегистрировано N® = 4037 мюонов. В этих событиях было найдено Nб = 170 нейтронов.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА.

ВЕЛИЧИНА ИЗМЕРЕННОГО ВЫХОДА

НЕЙТРОНОВ ОТ МЮОНОВ В ЖЕЛЕЗЕ

Моделирование эксперимента проводили методом Монте-Карло (МК) с помощью пакета GEANT4. При моделировании поток мюонов со спектром, соответствующим глубине расположения LVD, и экспериментальным угловым распределением [4, 5] пересекал выбранные счетчики с дополнительным железом в реальной геометрии. Нейтроны генерируются мюонами в веществе установки, термализуются в сцинтилляторе (за время ~1 мкс) и захватываются ядрами сцинтил-лятора или железа с испусканием гамма-квантов с энергией 2.2 МэВ (np-захваты) и ~7 МэВ (nFe-за-хваты). Значение эффективности регистрации нейтронов п = 0.214 определялось как отношение числа у-квантов, зарегистрированных счетчиками выбранной пары при пороге регистрации Ethr, к полному числу нейтронов, рожденных в дополнительной железной пластине. Ошибка МК-рас-четов эффективности регистрации нейтронов около 3%. Она связана в основном с погрешностями определения массы и геометрии элементов структуры установки.

В период а) набора данных (до установки железа) получено относительное число нейтронов Nn/Nц = 0.030 n/p. В это число входят нейтроны,

N 103

102 :

N 100 90 80 70 60

50 40

30

20

10

1 0 , , 1 , 5 1 1 ■ 1 10 15

E, МэВ

б

ID 50

Entries 1915

Mean 253.4

RMS 133.3

X3/ndf 50.46 / 44

P1 49.78

P2 25.62

P3 145.0

J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I

100 300 500

мкс

Рис. 2. Энергетическое (а) и временное (б) распределения нейтронных импульсов. Кривая на рис. б — аппроксимация с использованием выражения (1), где т = 145 мкс.

образованные как в сцинтилляторе, так и в железе счетчиков, окружающих выбранную пару. Рассчитанная эффективность регистрации нейтронов при такой конфигурации составляет п^ = 0.22 и

= 0.69 для нейтронов, рожденных в железе и сцинтилляторе соответственно.

После помещения дополнительного слоя железа значение составило 0.042 п/р. В это количество входят также и нейтроны, рожденные в

а

9 ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 3 2015

438

АГАФОНОВА и др.

дополнительном слое железа. Эффективность регистрации нейтронов в такой конфигурации составляет = 0.21 и = 0.68, т.е. практически не изменилась. Это говорит о том, что установка железа не изменяет эффективности регистрации нейтронов, образованных мюоном в веществе детектора, окружающем дополнительное железо. Расчет также показал, что спектры энерговыделений у-квантов до и после установки дополнительного железа практически не отличаются друг от друга.

Для определения выхода нейтронов в железе приращение в относительном числе нейтронов АМ„/^ делим на среднюю длину пробега мюона в слое железа с учетом углового распределения мю-онов р1 = 35.6 г • см-2 и на эффективность регистрации нейтронов п = 0.21:

¥„ = (АМ„/М^)/пр1 = 16 • 10-4 и/ц/(г • см-2).

Абсолютная статистическая ошибка измерения равна ±4 • 10-4 я/ц/(г • см-2). Относительная систематическая ошибка составляет 6%. Ее величина связана с погрешностью метода определения числа нейтронов с использованием выражения (1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выход нейтронов, генерируемых мюонами в различных веществах, активно исследуется сегодня как экспериментально, так и вычислительными методами. Это связано с большим набором материалов, используемых в современных низкофоновых экспериментах в качестве мишени и за-

щиты, масса которых может составлять десятки и более тонн.

В данном эксперименте измерен выход нейтронов в железе от мюонов со средней энергией 280 ГэВ. На статистическом материале 4037 мю-онных событий, набранных в течение 1 года с дополнительным железом, и 20379 событий прохождения мюонов в течение 4 лет через счетчики до введения железа была получено значение Yn = = (16 ± 4 (стат.) ± 1(сист.)) • 10-4 п/ц/(г • см-2). Набор данных для уточнения величины выхода YBFe продолжается.

В такой же конфигурации планируется провести измерение выхода нейтронов от мюонов в свинце. Эксперимент планируется начать в конце этого года с массой свинцовой мишени около 600 кг.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант № 12-02-00213_a и № 15-02-01056), НШ 3110.2014.2 и программы фундаментальных исследований Президиума РАН "Фундаментальные свойства материи и астрофизика".

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bari G. et al. // Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. A.

1988. V. 264. P. 5.

2. Aglietta M. et al. (LVD Collaboration) // Nuovo Cimento. 1992. A. V 105. № 12. P. 1793.

3. Агафонова Н.Ю. и др. (коллаборация LVD) // Изв.

РАН. Сер. физ. 2005. Т. 69. № 3. С. 400.

4. Aglietta M. et al. (LVD Collaboration) // Phys. Rev. D.

1998. V. 58. № 9. ID. 92005.

5. Агафонова Н.Ю. и др. (коллаборация LVD) // Изв.

РАН. Сер. физ. 2011. Т. 75. № 3. С. 437.

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 3 2015

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.

Показать целиком