Fundo de neutrões devido a muões: medidas e simulação

Fundo de neutrões devido a muões:
medidas e simulação
Alexandre Lindote, LIP-Coimbra
Henrique Araújo, Imperial College, RAL
Vitaly Kudryavtsev, University of Sheffield
1
Sumário
Objectivo deste trabalho
Medidas experimentais
Simulações com o Geant4
Comparação com os resultados experimentais
Conclusões
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
2
Objectivo deste trabalho
Medir e modelizar o fundo de neutrões produzidos por
muões na mina de Boulby
Os fundos de neutrões limitam a sensibilidade das experiências de
Matéria Negra
Os gamas e neutrões da rocha constituem a maior parte do ruído de
fundo, mas podem ser fortemente atenuados (shielding)
Os neutrões devidos a interacções de muões são muito dificeis de
suprimir, sendo necessário recorrer a sistemas de veto. São muito
importantes para a próxima geração de experiências!
Sistemas de veto podem ser usados para medir este background
(têm grande volume, baixo background e são sensíveis a neutrões)
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
3
Procura de Matéria Negra em Boulby
1.1 km (2.8 km w.e.)
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
4
Procura de Matéria Negra em Boulby
NaIAD
DRIFT-I
DRIFT-II
ZEPLIN-I
ZEPLIN-II
ZEPLIN-III
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
5
ZEPLIN-II e o seu veto
0.93 ton de líquido cintilador
+ tinta com Gd
shielding de polipropileno
+ resina de Gd
castelo de chumbo de ~52 ton
+ cera de Gd
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
6
Medidas experimentais
Medidas feitas em paralelo com os runs do ZEPLIN-II (DAQ independente)
Volume de dados: 204.8 days (Aug 06 - Apr 07)
Calibração em energia com Co60
Calibração com neutrões com AmBe
Coincidências entre sinais de muões e capturas de neutrões:
-
Sinal do muão (ou da cascata associada) - grande deposição de energia
(~50 MeV - trigger)
-
Sinal de captura de neutrões (em H ou Gd) - atrasado alguns μs
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
Figure 2: Typical muon event with a neutron-like pulse (from neutron capture) that
7
Simulação - geometria
Laboratório subterrâneo
Castelo de chumbo
+ Cera com Gd
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
8
Simulação - geometria
Placas de polipropileno
+ resina de Gd
Veto + tinta de Gd
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
9
Simulação - geometria
Geometria
completa do
ZEPLIN-II
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
10
Simulação - primários
O laboratório está a 1070 m de
profundidade (2805 ± 45 m w.e.)
Os muões são propagados desde
a superfície usando um programa
independente (MUSUN*)
Quando estes muões estão a ~10m do
tecto da caverna são introduzidos no
Geant4 (E0, r0, p0)
* V. Kudryavtsev, Sheffield University
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
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Simulação - physics list
G4QCaptureAtRest usado para a captura do mutestámos 3 physics lists, com diferentes ranges de
energia para os modelos hadrónicos
"G4.8.2-10G"
BiC(p,n) < 10 GeV
QGSP > 10 GeV
BiC(Pi) < 1.5 GeV
LEP(Pi) 1.4 - 10.1 GeV
"G4.8.2-xmas+pi"
BiC(p,n) < 10 GeV
LEP(p,n) 10-20 GeV
QGSP > 20 GeV
BiC(Pi) < 1.5 GeV
LEP(pi) 1.4 - 20 GeV
“G4.8.2-old"
BiC(p,n) < 6 GeV
QGSP > 6 GeV
BiC(Pi) < 1.5 GeV
LEP(Pi) 1.4 - 6.1 GeV
Alexandre Lindote
// *** ELECTROMAGNETIC ***
// mu- -> G4QCaptureAtRest
// *** PHOTONUCLEAR ***
// muons MuNuclear - (1 GeV)< E
// gamma CHIPS E < 3.5 GeV
//
QGSC
- 3 GeV < E < 100 TeV
// e+/- CHIPS E < 10 TeV
// *** HADRONICS ***
// : HP for n at 0 keV < E < 19.9 MeV
// : BiC for n at 19.5 MeV < E < 6.1 GeV
// : LEP for n at 6 GeV < E < 12.1 GeV
// : QGSP for n at 12 GeV < E < 100 TeV
// : BiC for p at 0 MeV < E < 6.1 GeV
// : LEP for p at 6 GeV < E < 12.1 GeV
// : QGSP for p at 12 GeV < E < 100 TeV
// : BiC for pi at 0 keV < E < 1.5 GeV
// : LEP for pi at 1.4 GeV < E < 12.1 GeV
// : QGSP for pi at 12 GeV < E < 100 TeV
// kaon LEP
E < 25 GeV
//
QGSP
- 25 GeV < E < 100 TeV
//
// a,H2,H3 LEP
E < 100 MeV
//
BiC
- 80 MeV < E < 20 GeV
//
// GI,He3 BiC
E < 10 GeV
//
// others LEP
E < 25 GeV
//
QGSP
- 25 GeV < E < 100 TeV
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Comparação com os resultados experimentais
Azul - 1º run
Vermelho - 2º run
Tracejado - simulação
10000
8000
6000
600
Vermelho - dados
Tracejado - simulação
500
400
300
4000
200
2000
0
2. Calibração com neutrões (AmBe)
Number of events
Number of events
1. Calibração em energia (60Co)
100
0
0.2 0.4 0.6 0.8
1
1.2 1.4 1.6 1.8
2
Energy deposition, MeV
Alexandre Lindote
Figure 4: Energy spectra of gamma-events from
60
0
0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Time delay, microseconds
Jornadas LIP 2008
Co energy calibration runs: upper
Figure 5: Time delay distribution of the secondary pulses in a neutron calibration run
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Comparação com os resultados experimentais
3. Neutrões devidos a muões
52.60 ± 0.69 μ/dia (dados)
71 milhões de muões simulados: 53.10 ± 0.30 μ/dia (simulação)
Number of events
Pulsos secundários: 2.2 MeV da captura no H
Dados
140
Simulação
120
100
80
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Energy deposition, MeV
Yield com/sem topo do shielding: 0.86 ± 0.07 (dados)
Figure 8: Charge spectrum of secondary pulses in muon events. The data (histogram)
were fitted to a Gaussian function.
Alexandre Lindote
0.85 ± 0.03 (simulação)Jornadas LIP 2008
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alibration sources were excluded from the data analysis. The total live time of
xperiment was 204.8 days.
ns were selected as follows: (i) trigger pulse area more than 50 V×ns corresponding
e energy threshold of about 18 MeV (assuming proper reconstruction of the muon
y deposition, i.e. no saturation os PMTs or DAQ); (ii) FWHM greater than 40 ns,
ime during which the pulse amplitude exceeded 1.7 V, greater than 10 ns. Only
s with a trigger pulse area exceeding 70 V×ns satisfy all selection criteria rising
nergy threshold to about 25 MeV (assuming no saturation). This allows rejection
(resultados preliminares)
background gamma-rays keeping more than 90% of muons [17]. More details on
flux simulations
and muon detection
efficiencyde
canpulsos
be found secundários
in Ref. [17]. During
Distribuição
temporal
xperiment 10832 muons were detected. The rate of muons was 52.9 ± 0.5 per
80 previous measurements [17] giving the value for the total muon
n agreement with
−2 −1
t Boulby as 4.04 ± 0.04 (stat) ±0.40 (syst) cmDados
s if the same procedure as in
17] is applied.70The systematic error of our measurements is higher than in Ref.
148saturation
24 for muon signals resulting in a
ecause of the possible PMT and=DAQ
of the energy 60
threshold for muon
towards
higher values compared to the
0.15events
± 0.03
n/muão
structed energy from the gamma-ray calibration.
Comparação com os resultados experimentais
Number of events
3. Neutrões devidos a muões
τ
±
Simulação
μs
ndary, delayed,50pulses were selected using the following criteria: (i) energy higher
2 V×ns or 700 keV; (ii) presence of logic pulse; (iii) time delay relative to the
pulse from 2040ns to 195 ns.
time delay distribution
of pulses in the events relative to trigger (muon) pulses
30
esented in Figure 6 together with the fit (solid curve) to a combination of an
nential and a flat
20 background:
10
Nn
× ∆t × exp (−t/τ ) + Nb
N=
τ
τ = 116 ± 8 μs
(1)
0.27 ± 0.04 -0.04 n/muão
0
e N is the number
per80time
the180
total
n is160
0 of
20events
40 60
100bin,
120 N
140
200number of neutrons, τ
mean time delay, ∆t is the time bin width and Nb is the number of background
delay,
microsec
sAlexandre
per timeLindote
bin. The fitted function, Time
as given
above,
was chosen to give the total
er of neutrons detected, so no further corrections for the limited time range were
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15
Conclusões
Este é um dos primeiros estudos a combinar medidas de neutrões induzidos
por muões num laboratório subterrâneo com uma simulação detalhada.
As simulações das calibrações em energia e neutrões reproduzem bem os
resultados experimentais, o que nos dá confiança em relação à geometria.
Os resultados da simulação de neutrões induzidos por muões são ainda
preliminares, mas:
o número de muões detectados concorda com o medido (muões primários e
geometria estão a ser bem simulados)
razão do yield de neutrões com e sem a parte superior do shielding concorda com
o obtido experimentalmente
modelos hadrónicos do Geant4 parecem produzir neutrões em excesso
(testar novo modelo alternativo: QCollision)
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
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Conclusões
Deste trabalho devem resultar 2 publicações:
“Measurements of neutrons produced by high-energy muons at the Boulby
Underground Laboratory” - medidas experimentais e comparação com a simulação
(já existe um draft quase definitivo)
Descrição detalhada das simulações e comparação entre os diferentes modelos
disponíveis no Geant4
Alexandre Lindote
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