基于大亚湾中微子实验的原初宇宙线研究

Primary cosmic ray is one of the frontier studies in the particle physics. Balloons, satellites and ground experiments have been widely utilized to study the cosmic ray, while very few underground experiments have made contributions. ..The Daya Bay neutrino experiment is a running underground neutrino experiment. Beside the neutrino research, perfect locations of the three experiment halls and detector configurations make the study of primary cosmic ray realizable. Based on the Daya Bay experiment, at 1km to 1.5km distances we will study the long distance correlated cosmic ray for the first time over the world. We will measure the muon multiplicity and transverse density distribution at 100m and 300m depths underground, and measurements at the former depth will crosscheck previous experiment results, while at the latter depths will fill the experiment data gap. A large amount of cosmic ray simulation data will be generated, and the comparison between data and simulation will constrain the strong interaction model and chemistry compositions of the cosmic ray. The study introduces a new scientific field to the Daya Bay experiment, and increases the utilization of the large machine.

原初宇宙线是目前粒子物理研究的前沿领域之一。探测原初宇宙线的手段主要包括高空气球、卫星和地面实验，而基于地下实验室的研究却少之又少。大亚湾中微子实验是目前正在运行的地下中微子实验，其优异的实验厅位置分布和探测器配置为开展原初宇宙线研究提供了有利条件。本项目将基于大亚湾实验，在世界上首次开展地下间距1km到1.5km的长距离关联宇宙线研究；本项目也将测量地下100m、300m深度时的缪子多重度和横向密度分布，100米时的测量结果将与过去实验的结果相互校验，300m时的测量结果将填补此深度数据的空白。最后将产生大批量宇宙线模拟数据，展开数据和模拟比较，对大气簇射的强相互作用模型与原初宇宙线成分加以限制。本项目为大亚湾实验开辟了新的物理研究领域，提高了该大科学装置的利用率。

本课题旨在利用大亚湾反应堆中微子实验三个地下实验厅测量的宇宙线缪子事例，研究宇宙线的基本性质。大亚湾实验三个实验厅均位于地下，且山体覆盖厚度不同，抵达实验厅的缪子阈值能量、平均能量有明显差别。本项目立项时，主要研究内容有两方面，一是不同厅的缪子多重度研究，以及其对原初宇宙线成分的限制；二是寻找不同实验厅之间的关联缪子。研究过程中，研究内容一受到阻性板探测器串扰影响，结果误差较大；研究内容二发现了不同实验厅之间的关联缪子，但主要起因是山体覆盖形状。.但是，在研究过程中，我们发现地下缪子事例率随季度存在调制现象，调制幅度随山体平均覆盖增厚而变大。该调制现象来自于大气层平均温度的变化。经过调研，100 米水当量到1500米水当量的山体覆盖厚度之前并无测量结果，而且该厚度为调制幅度变化最剧烈的区域，对其精确测量意义重大。.在本基金支持下，项目组成员张成才对缪子事例率调制做了详细研究，得到了三个实验厅事例率调制幅度，以及调制和大气层平均温度的关联系数。结果被大亚湾合作组文章采用，并发表于Journal of Cosmology and Astroparticle Physics期刊。.该结果的科学意义在于首次使用全同探测器在不同山体覆盖厚度下测量缪子事例率调制，得到精确的关联系数。该关联系数对于宇宙线缪子在大气层中的产生机制，Pion、Kaon介子在缪子产生中扮演的角色均起到限制。.