Direct measurement of neutrons induced in lead by cosmic muons at a shallow underground site
Qiang Du, Iris Abt, Anton Empl, Chris Gooch, Raphael Kneissl, Shin Ted LIN, Bela Majorovits, Matteo Palermo, Oliver Schulz, Li Wang, Qian YUE, Anna Julia Zsigmond
备注：
29 pages, 22 figures, 4 tables
发表信息：
Astroparticle Physics, Volume 102, November 2018, Pages 12-24
Neutron production in lead by cosmic muons has been studied with a Gadolinium doped liquid scintillator detector. The detector was installed next to the Muon-Induced Neutron Indirect Detection EXperiment (MINIDEX), permanently located in the Tübingen shallow underground laboratory where the mean muon energy is approximately 7 GeV. The MINIDEX plastic scintillators were used to tag muons; the neutrons were detected through neutron capture and neutron-induced nuclear recoil signals in the liquid scintillator detector. Results on the rates of observed neutron captures and nuclear recoils are presented and compared to predictions from GEANT4-9.6 and GEANT4-10.3. The predicted rates are significantly too low for both versions of GEANT4. For neutron capture events, the observation exceeds the predictions by factors of $ 1.65\,\pm\,0.02\,\textrm{(stat.)}\,\pm\,0.07\,\textrm{(syst.)} $ and $ 2.58\,\pm\,0.03\,\textrm{(stat.)}\,\pm\,0.11\,\textrm{(syst.)} $ for GEANT4-9.6 and GEANT4-10.3, respectively. For neutron nuclear recoil events, which require neutron energies above approximately 5 MeV, the factors are even larger, $ 2.22\,\pm\,0.05\,\textrm{(stat.)}\,\pm\,0.25\,\textrm{(syst.)} $ and $ 3.76\,\pm\,0.09\,\textrm{(stat.)}\,\pm\,0.41\,\textrm{(syst.)} $, respectively. Also presented is the first statistically significant measurement of the spectrum of neutrons induced by cosmic muons in lead between 5 and 40 MeV. It was obtained by unfolding the nuclear recoil spectrum. The observed neutron spectrum is harder than predicted by GEANT4. An investigation of the distribution of the time difference between muon tags and nuclear recoil signals confirms the validity of the unfolding procedure and shows that GEANT4 cannot properly describe the time distribution of nuclear recoil events. In general, the description of the data is worse for GEANT4-10.3 than for GEANT4-9.6.
Muon Flux Measurement at China Jinping Underground Laboratory
中国锦屏地下实验室（CJPL）是研究太阳中微子、地球中微子和超新星中微子的理想场所。宇宙线背景的精确测量将在这些MeV级中微子实验的研发研究中发挥至关重要的作用。利用锦屏中微子实验（JNE）的1吨级原型探测器，在CJPL-I一期645.2天的数据集中探测到了264个高能μ子事件，重建了它们的方向，测量到宇宙线μ子通量为$(3.53\pm0.22_{\text{stat.}}\pm0.07_{\text{sys.}})\times10^{-10}$ cm $^{-2}$ s $^{-1}$ .观测到的角分布反映了宇宙线μ子背景的泄漏，并与考虑锦屏山地形的模拟结果相一致。在不同的实验室地点位于山下和矿井下的μ介子通量的调查表明，前者一般是一个$(4\pm2)$的因素大于后者相同的垂直覆盖。该研究为地下实验中μ子通量的包络后估计提供了一种方便的方法。
A new ultra low-level HPGe activity counting setup in the Felsenkeller shallow-underground laboratory
一个新的超低水平计数装置已经安装在德国德累斯顿的浅层地下实验室Felsenkeller。它包括一个高纯度锗探测器（HPGe），在被动和主动屏蔽内的相对效率为163\%。被动屏蔽层由45米的岩石覆盖层（140米水当量），40厘米的低活性混凝土和一个由防氡盒包围的铅和铜城堡组成。被动屏蔽单独被发现，以减少本底率的速率相媲美的其他浅地下实验室。一个额外的积极否决权是由五个大型塑料闪烁板周围的设置。在40-2700 keV的能量区间内，它进一步将本底速率降低一个数量级以上，降至116 $\pm$ 1 kg $^{-1}$ d $^{-1}$。如此低的本底率对于浅地下实验室和接近深地下实验室来说是前所未有的。
Measurement of Muon-induced High-energy Neutrons from Rock in an Underground Gd-doped Water Detector
我们提出了一个测量的相关中子捕获率的手表男孩探测器，部署在深度约390米水当量（m.w.e.）。Kimballton Underground Research Facility（KURF）WATCHBOY由一个2吨重的圆柱形水靶组成，其中掺杂了0.1%的钆，周围有一个40吨重的无掺杂水密封屏蔽层。我们提出了一个比较我们的结果与预期的相关中子捕获率所产生的高能中子入射在外面的手表屏蔽，预测的混合FLUKA/GEANT 4为基础的模拟。模拟中使用的入射中子能量分布是由快中子谱仪，1.8吨多重和反冲谱仪（MARS）探测器，在同一深度测量的。我们发现，测量的两个相关的中子的探测率是一致的模拟预测。这一结果为MARS使用的探测技术提供了额外的信心，因此也为在三个不同深度测量的MARS光谱提供了信心。快中子通量和能谱的确认是重要的，因为它有助于验证用于预测不同覆盖层下快中子通量的标度模型。
Cosmic-ray muon flux at Canfranc Underground Laboratory
在Canfranc地下实验室（LSC）的两个地下位置，使用专用的μ子监测器测量了高能宇宙μ子的剩余通量和角分布。该仪器由三层快速闪烁探测器模块组成，作为352个独立像素运行。该监测器的通量定义区域为1 m ${}^{2}$，覆盖所有方位角和最高达$80^\circ$的天顶角。在LAB 2400的A厅中测得的积分μ子通量为$(5.26 \pm 0.21) \times 10^{-3}$ m ${}^{-2}$ s ${}^{-1}$，在LAB 2500中测得的积分μ子通量为$(4.29 \pm 0.17) \times 10^{-3}$ m ${}^{-2}$ s ${}^{-1}$。这种角度依赖性与周围山脉的已知轮廓和岩石密度是一致的。特别是，有一个明显的最大通量来自Rioseta山谷的方向。
Muon-induced background in a next-generation dark matter experiment based on liquid xenon
在稀有事件搜索实验中，μ子诱导的中子可能导致潜在的不可约背景。我们研究了实验室深度对未来暗物质实验中μ子诱导背景的影响，该实验能够达到所谓的中微子层。我们的模拟研究集中在一个氙基探测器与71吨的有效质量，由额外的否决系统，包括仪表水盾包围。英国博尔比地下实验室（Boulby Underground Laboratory）的两个地点作为案例研究：一个位于盐中的实验洞穴，深度为2850 m w.e.（与现有实验室的位置相似），以及一个位于杂卤石岩中的较深实验室，深度为3575 m w.e.。我们的研究结果表明，不到一个事件的宇宙背景是可能生存的标准分析削减10年的操作在任何一个位置。我们确定的最大背景组分来自$^{17}$ N的延迟中子发射，其由实验的含氟聚合物组分中的$^{19}$ F产生。我们的研究结果证实，暗物质的搜索与中微子地板的敏感性是可行的（从宇宙背景的角度来看）在地下实验室在这些水平的岩石覆盖层。我们提出的细节进行模拟和获得的结果。
A feasibility study of extruded plastic scintillator embedding WLS fiber for AMoRE-II muon veto
AMoRE-II是高级钼基稀有过程实验的第二阶段，目的是使用约200公斤含氘低温探测器寻找100 Mo同位素的无中微子双β衰变。AMoRE-II需要使用各种方法将本底水平保持在10-5计数/keV/kg/年以下，以最大限度地提高灵敏度。方法之一是在远离宇宙射线背景的地下深处进行实验。AmoRE-II将在Yemilab运行，深度约为1，000米。然而，即使在如此深的地下环境中，仍然存在幸存的宇宙μ子，它们会影响测量，应尽可能排除。μ子否决探测器是必要的，以拒绝μ子诱导的粒子进入内部探测器，其中低温探测器位于。我们已经研究了使用挤出塑料闪烁体和波长漂移光纤与SiPM一起作为μ子否决系统的可能性。我们发现最佳的结构是两层塑料分离器（PS，150 cm x 25 cm x 1.2 cm），每个槽有两个WLS光纤，它可以很好地分离放射性γ，μ子探测效率在99.4%以上。基于700米深地下原型测量的预期通量，我们发现，在Yemilab的AMoRE-II的μ子否决系统的死时间为1 ms否决窗口的0.6%的整个μ子事件。
