شبیه ‌سازی یک آشکارساز آبی تابش چرنکوف با استفاده از کد مونت کارلوی Geant4 برای آشکارسازی میون

نویسندگان

دانشگاه قم

چکیده
ذرات میون به سبب برهم‌کنش پرتوهای کیهانی با مولکول‌های موجود در جو تولید می‌شوند و با طول عمر µ s 2/2 به یک الکترون و دو نوترینو فروپاشی می‌کنند. این الکترون‌ها در محیط آب با سرعتی بیش‌تر از سرعت نور در محیط، حرکت می‌کنند. بنابراین الکترون‌ها، تابشی در محدوده نور آبی و بنفش در محیط گسیل می‌کنند که به تابش چرنکوف معروف است. در این پژوهش با کمک کد شبیه‌سازی Geant4، یک آشکارساز چرنکوف ساده برای مطالعه تابش چرنکوف الکترون‌های ناشی از واپاشی میون، شبیه‌سازی شد. با استفاده از طیف انرژی فوتون‌های نوری، بازده آشکارساز چرنکوف آبی 067/0 محاسبه شد. همچنین میانگین طول عمر و انرژی بیشینه الکترونهای تولید شده با فروپاشی میون به ترتیب برابر µs 014/0 ± 197/2 و 6/52 MeV گردید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Simulation of a Simple Water Cherenkov Detector Using GEANT4 Monte Carlo Code for Muons Detection

نویسندگان English

Seyedeh Zahra Islami rad
Zahra Khalifeh
University of Qom
چکیده English

Muon particles are produced by the interaction of cosmic rays with molecules in the atmosphere and are decayed to an electron and two neutrinos with a lifetime of 2.2 µs. These electrons move in the water environment faster than the speed of light in the same environment. Therefore, the electrons emit radiation in the blue and violet light range which is known as Cherenkov radiation. In this research, using the Geant4 simulation code, a simple water Cherenkov detector was simulated to study the Cherenkov radiation of electrons caused by muon decay. Using the energy spectrum of optical photons, the detection efficiency of the water Cherenkov detector was calculated 0.067. Also, the mean lifetime and maximum energy of the electrons produced by the muon decay were measured 2.197±0.014 µs and Emax=52.6 MeV, respectively.

کلیدواژه‌ها English

Muons
Water Cherenkov detector
Simulation
Geant4
Optical photons
Efficiency
Mean lifetime
Energy spectrum of muons
A. Aab, P. Abreu, M. Aglietta, J.M. Albury, I. Allekotte, A. Almela, J. Alvarez-Muñiz, R.A. Batista, G.A. Anastasi, L. Anchordoqui, and B. Andrada, Calibration of the underground muon detector of the Pierre Auger Observatory. Journal of instrumentation, 16(04) (2021), P04003.
A. Aab, P. Abreu, M. Aglietta, J.M. Albury, I. Allekotte, A. Almela, J.A. Castillo, J. Alvarez-Muñiz, R.A. Batista, G.A. Anastasi, and L. Anchordoqui, Studies on the response of a water-Cherenkov detector of the Pierre Auger Observatory to atmospheric muons using an RPC hodoscope. Journal of Instrumentation, 15(09) (2020) P09002.
B. S. González, R. Conceição, M. Pimenta, B. Tomé, and A. Guillén, Tackling the muon identification in water Cherenkov detectors problem for the future Southern Wide-field Gamma-ray Observatory by means of machine learning. Neural Computing and Applications, 34(7) (2022) 5715-5728. [DOI:10.1007/s00521-021-06730-z]
D. Joković, D. Maletić, A. Dragić, N. Veselinović, M. Savić, V. Udovičić, R. Banjanac, and D. Knežević, Application of Geant4 simulation in measurement of cosmic-ray muon flux and studies of muon-induced background. The European Physical Journal Plus, 138(11) (2023) 1-9. [DOI:10.1140/epjp/s13360-023-04639-1]
A.S. Georgadze, and V.A. Kudryavtsev, Geant4 simulation study of low-Z material detection using muon tomography. Journal of Instrumentation, 18(12) (2023), C12014. [DOI:10.1088/1748-0221/18/12/C12014]
J.M. John, G. Majumder, S.V. Pethuraj, Benchmarking GEANT4 simulation of mini-Iron Calorimeter for cosmic ray muon studies. arXiv preprint arXiv:2309.00992, (2023). [DOI:10.1088/1748-0221/18/11/P11023]
N. Mori, F. Ambrosino, L. Bonechi, L. Cimmino, R. Dalessandro, P. Noli, G. Saracino, P. Strolin, L.Viliani, A Geant4 framework for generic simulations of atmospheric muon detection experiments, ANNALS OF GEOPHYSICS, 60(1) (2017), 0108. [DOI:10.4401/ag-7383]
A. Clarkson, D.J. Hamilton, M. Hoek, D.G. Ireland, J.R. Johnstone, R. Kaiser, ... & M. Murray, GEANT4 simulation of a scintillating-fibre tracker for the cosmic-ray muon tomography of legacy nuclear waste containers, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 746 (2014) 64-73. [DOI:10.1016/j.nima.2014.02.019]
D. Lo Presti, G. Gallo, D.L. Bonanno, D.G. Bongiovanni, F. Longhitano, & S. Reito, Feasibility study of a new Cherenkov detector for improving volcano muography, Sensors, 19(5) (2019) 1183. [DOI:10.3390/s19051183] [PMID]
P. Aguiar, E. Casarejos, J. Silva-Rodríguez, J.A. Vilan, and A. Iglesias, Geant4-GATE Simulation of a Large Plastic Scintillator for Muon Radiography, IEEE Transactions on Nuclear Science, 62(3) (2015)1233-1238. [DOI:10.1109/TNS.2015.2431297]
P. Shukla and S. Sundaresh, Energy and angular distributions of atmospheric muons at the Earth, Int. J. Mod. Phys. A, 33, (2018)1850175 [DOI:10.1142/S0217751X18501750]
Y. Hu, T. Wang, Y. Mei, Z. Zhang, C. Ning A simple setup to measure muon lifetimeand electron energy spectrum of muon decay and its Monte Carlo simulation, arXiv: 1608.06936 (2016).
P.S Canflanca, Monte Carlo Simulation of a Detector for Cosmic Rays, Bachelor Thesis, Kernphysik, Westfälische Wilhelms-Universität Münster, (2014).
G. Collaboration, Geant4 User's Guide for Application Developers, Accessible from the GEANT4 web page [1] Version geant4 9 (2012).
L. Lappetito, S.V. A. Moritz, S. bibbi, DIY water Cherenkov detector, Physic open Lab, CherenkovDetector_ENG (2016).