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
Sumário
Objectivo deste trabalho
Medidas experimentais
Simulações com o Geant4
Comparação com os resultados
experimentais
Conclusões
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
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)
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
Objectivo deste trabalho
Medir e modelizar o fundo de neutrões produzidos
por muões na mina de Boulby
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
Procura de Matéria Negra em Boulby
1.1 km (2.8 km w.e.)
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
Procura de Matéria Negra em Boulby
NaIAD
DRIFT-I
DRIFT-II
ZEPLIN-I
ZEPLIN-II
ZEPLIN-III
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
ZEPLIN-II e o seu veto
0.93 ton de líquido cintilador
+ interior pintado com Gd
shielding de polipropileno intervalado
com uma resina de Gd
castelo de chumbo de ~52 ton
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
Princípio de detecção
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
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
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
Simulação - geometria
Laboratório subterrâneo
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
Simulação - geometria
Shielding completo
Castelo de chumbo
+ Cêra com Gd
Placas de polipropileno + resina de Gd
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
Simulação - geometria
Veto + tinta de Gd
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
Simulação - geometria
Geometria
completa do
ZEPLIN-II
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
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
Simulação - physics list
G4QCaptureAtRest usado para a captura do mu-
testámos 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
// *** 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
Comparação com os resultados experimentais
Number of events
1. Calibração em energia (60Co)
Azul - 1º run de calibração
Vermelho - 2º run de calibração
10000
Tracejado - espectro simulado
normalizado e convoluído com
uma gaussiana
8000
6000
4000
2000
0
Alexandre Lindote
0
0.2 0.4 0.6 0.8
1
1.2 1.4 1.6 1.8
2
Energy deposition, MeV
Jornadas LIP 2008
Comparação com os resultados experimentais
Number of events
2. Calibração com neutrões (AmBe)
600
Distribuição temporal de
pulsos secundários
500
400
Vermelho - dados
300
Tracejado - simulação
200
100
0
Alexandre Lindote
0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Time delay, microseconds
Jornadas LIP 2008
Comparação com os resultados experimentais
3. Neutrões devidos a muões (resultados preliminares)
71 milhões de muões simulados
Alexandre Lindote
Muões detectados por dia:
- 52.60 ± 0.69 (dados)
- 53.10 ± 0.30 (simulação)
Jornadas LIP 2008
Comparação com os resultados experimentais
3. Neutrões devidos a muões (resultados preliminares)
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
Alexandre Lindote
Figure 8: Charge spectrum of secondary pulses in muon events. The data (histogram)
Jornadas LIP 2008
Comparação com os resultados experimentais
3. Neutrões devidos a muões (resultados preliminares)
Event frequency
Multiplicidade: (Emu > 50 MeV, Edep > 0.7 MeV)
Dados
Simulação
0.16 neutrões/muão
0.26 neutrões/muão
1
10
10
10
10
10
-1
-2
-3
-4
-5
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20
Multiplicity
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
libration sources were excluded from the data analysis. The total live time of
periment was 204.8 days.
s were selected as follows: (i) trigger pulse area more than 50 V×ns corresponding
energy threshold of about 18 MeV (assuming proper reconstruction of the muon
deposition, i.e. no saturation os PMTs or DAQ); (ii) FWHM greater than 40 ns,
me during which the pulse amplitude exceeded 1.7 V, greater than 10 ns. Only
with a trigger pulse area exceeding 70 V×ns satisfy all selection criteria rising
ergy threshold to about 25 MeV (assuming no saturation). This allows rejection
background gamma-rays keeping more than 90% of muons [17]. More (resultados
details on
flux simulations and muon detection efficiency can be found in Ref. [17]. During
periment 10832 muons were detected. The rate of muons was 52.9 ± 0.5 per
agreement with previous measurements [17] giving the value for the total muon
80 ± 0.04 (stat) ±0.40 (syst) cm−2 s−1 if the same procedure as in
Boulby as 4.04
17] is applied. The systematic error of our measurements is higher than in Ref.
ecause of the70
possible PMT and DAQ saturation for muon signals resulting in a
f the energy threshold for muon events towards higher values compared to the
60 from the gamma-ray calibration.
tructed energy
Comparação com os resultados experimentais
3. Neutrões devidos a muões
preliminares)
Number of events
Distribuição temporal de pulsos secundários
Dados
τ = 148 ± 24 μs
Simulação
0.15 ± 0.03 n/muão
dary, delayed, pulses were selected using the following criteria: (i) energy higher
50
2 V×ns or 700
keV; (ii) presence of logic pulse; (iii) time delay relative to the
pulse from 20 ns to 195 ns.
40
me delay distribution of pulses in the events relative to trigger (muon) pulses
sented in Figure
30 6 together with the fit (solid curve) to a combination of an
ential and a flat background:
20
10
Nn
× ∆t × exp (−t/τ ) + Nb
N=
τ
τ = 116(1)± 8 μs
N is the number of events per time bin, Nn is the total number
of neutrons,
0.27
± 0.04τ
0
mean time delay,
∆t is the time bin width and N is the number of background
0 20 40 60 80 100 120 140 160b 180 200
per time bin. The fitted function, as given above, was chosen to give the total
Lindote so no further
Time
delay, microsec
er ofAlexandre
neutrons detected,
corrections
for the limited time range were
-0.04 n/muão
Jornadas LIP 2008
Comparação com os resultados experimentais
3. Neutrões devidos a muões (resultados preliminares)
Resultados sem a parte superior do shielding
Razão entre yields:
(sem topo / com topo)
- 0.86 ± 0.07 (dados)
- 0.85 ± 0.03 (simulação)
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
Conclusões e trabalho futuro
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 concordam
bastante bem com os resultados experimentais, o que nos dá
confiança em relação à geometria.
A análise de dados ainda não está concluída: dois passos
importantes são a determinação dos materiais que produzem mais
neutrões e quais os responsáveis pelas capturas.
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
Conclusões e trabalho futuro
Os resultados da simulação de neutrões induzidos por muões são
ainda preliminares, mas:
apontam para um excesso de produção de neutrões
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 valor experimental - mais um
indicador da correcção da simulação
modelos hadrónicos do Geant4 parecem produzir neutrões em
excesso
Alexandre Lindote
Jornadas LIP 2008
Conclusões e trabalho futuro
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
Jornadas LIP 2008