基于江门实验对多缪子径迹重建的研究

The distribution of underground cosmic ray multiple muon has been measured by track detector in some experiments, but for the underground low background experiments whose research target is neutrino or dark matter, its track measurement and contribution to background is not clear yet. Since the size of low background detector is small in past experiments, just a few meters, single track reconstruction and contribution to background is clear. Jiangmen underground neutrino experiment plans to build the world's largest liquid scintillator detector. Since the size of detector is up to dozens of meters, it provides a possibility for the multiple muon research on the track reconstruction and background subtraction on low background experiment.. This application is to study multiple muon characteristics in large liquid scintillator detector, water Cerenkov detector and top plastic scintillator detector by Jiangmen experiment platform, and will establish an effective track reconstruction algorithm, and union all detector track reconstruction, which will complement each other, improve the efficiency of multiple muon reconstruction, further depress of cosmic ray isotopes background, improve the sensitivity analysis of neutrino. The current detector is in the engineering design stage, this research also can give some guidance for detector design. This research will fill the blank in large liquid detector research for multiple muons, can give guidance and reference for the similar low background experiment research on multiple muons track reconstruction.

宇宙线地下多缪子分布已由某些实验的径迹探测器测量，但是在中微子、暗物质等其他粒子为研究目标的地下低本底实验上，其径迹测量和对本底的贡献还不清楚。以前低本底探测器比较小，在几米尺度，只对单缪子径迹重建和本底贡献研究清楚。江门中微子实验拟建造世界上最大的液闪探测器，探测器尺度达几十米，为多缪子在低本底实验上的径迹重建和本底研究提供了可能性。. 本申请拟通过江门中微子实验平台，模拟研究多缪子在大型液闪探测器、水契伦科夫探测器和顶部闪烁体探测器的特征，建立一套行之有效的径迹重建算法，并实现多探测器联合重建，提高单探测器的重建效率，从而进一步压低宇宙线带来的同位素本底，提高中微子测量灵敏度。目前探测器处于工程设计阶段，此研究内容还具有指导探测器设计的作用。本研究将填补大型液体探测器对多缪子研究的空白，具有为将来类似的实验对多缪子径迹重建的研究提供指导和借鉴意义。

宇宙线地下多缪子分布在中微子、暗物质等地下低本底实验上的径迹测量和对本底的贡献还不清楚。以前低本底探测器比较小，在几米尺度，只对单缪子径迹重建和本底贡献研究清楚。现在实验发展到几十米量级，对多缪子径迹的研究变得尤为重要。. 本项目主要是通过江门中微子实验平台，研究了深地下（700米）的宇宙线通量；深地下不同探测器（液闪、水契伦科夫）和不同大小光电探测器件（20英寸光电倍增管和3英寸光电倍增管）对多缪子径迹的重建。首先使用宇宙线在大气中的模拟软件CORSIKA和粒子在物质中的能损软件MUSIC联合，模拟得到江门地下700深处的宇宙线通量和分布。地下宇宙线的通量分布是所有探测器模拟和设计的基础。其次将宇宙线缪子样本（单径迹和多径迹混合样本）输入探测器，进行模拟，对模拟结果进行了缪子径迹重建，首次成功建立了一套既能重建单径迹又能重建多径迹的重建方法。重建不止适用于中心探测器的20英寸大光电倍增管和3英寸的小光电倍增管，而且适用于水池探测器。这为江门中微子实验的数据缪子引起的本底分析和中微子质量顺序测量灵敏度的提高有重大帮助，也对将来类似的大型低本底实验对多缪子的径迹重建和其带来的同位素本底的估算有重要意义。