유기섬광 검출기의 특성 연구 및 액체 섬광 검출기를 이용한 뮤온 붕괴시간 측정

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1 유기섬광 검출기의 특성 연구 및 액체 섬광 검출기를 이용한 뮤온 붕괴시간 측정
간장 통을 이용한 우주선 (뮤온) 검출기? 김 홍주 (경북대) 2004 고에너지 여름학교

2 Organic Scintillator Based on excited states of carbon atom (benzene ring : C=C bonds) Quasi-free electrons confined to molecule Complex vibration stats gives fine structure Range of singlet and triplet stats gives both long and short time structure => neutron and gamma separation capability Chemical Mixing Solvent : Medium for absorbing the energy of nuclear recoil Energy transferred to 1st solute moleculs 1st Solute: highly efficient fluors (efficient scintillator) Very short wavelength 2nd Solute: Wavelength shifter to match with bi-alkali photo sensor

3 Organic solvent Band gap structure Energy transfer mechanism
ns ms solute 1st solvent 2nd solvent

4 Organic scintillator Solvents
Solute a) Liquid Scintillator 1,2,4-Trimethylbenzene (Pseudocumene) p-,m-,o-Xylene, Toluene, Benzene, MN… a) Plastic Scintillator Polystyrene (Polyvinylbenzene, PS) Polyvinyltolunen (PVT) 1st Solvent PPO, p-Terphenyl, PBD, Butyl-PBD, Naphthalene.. 2nd Solvent POPOP, M2-POPOP, bis-MSB…. Standard Scintillator : PC + PPO(1.5-4g/l) +POPOP(10-50mg) : 65% of anthrecene, safe, Pulse shape discrimination of n/gamma

5 Photomultiplier tube (PM or PMT) generates electric signal
Scintillation Counters and Photomultiplier Tubes Basic principles of operation Passage of charged particle generates light in scintillator Charged particle Light guide transmits light to photodetector Photomultiplier tube (PM or PMT) generates electric signal

6 Photomultiplier Tube PMT Light detection PMT  N  Nel
reflector photocathode  dynodes 2 N  Nel 1 3 n electron multiplication scintillator optical coupling ideal case: Nel =   N

7 ZEUS detector at HERA(ep) : plastic scintillator + Uranium sandwich

8 Neutron gamma separation with BC501A

9 LSND (neutrino oscillation)
Mineral Oil + LSC

10 KAMLAND (neutrino osc.)

11 액체 섬광 검출기의 Bio 및 Medical 응용

12 .실습 : 액체섬광 검출기 및 PMT

13 실습 : 플라스틱 섬광 검출기

14 실습 : 뮤온 검출기 + 전자장비 + 데이터 획득시스템

15 실습 : light shielding

16 뮤온 우주선 생성과정 청평 양양 지상: 1 muon/sec/10cm2

17 뮤온 붕괴 시간 측정 뮤온 : 우주에서 날라온 양성자가 대기와 반응하여 만들어 진 여러 전하를 띈 입자 중 유일하게 지상에 도달함 (평균 지상 10km 에서 가장 많이 만들어짐) 뮤온은 10cm2 면적에 초당 하나씩 지나감 뮤온은 유기섬광 검출기에 1cm 지나갈 때 약 2MeV의 에너지를 잃음 (간장통 검출기 : ~120MeV) 간장통 검출기 : 통과 뮤온: ~100Hz, 정지뮤온 :0.1Hz 뮤온은 2.2 마이크로 초의 붕괴시간을 갖고 전자(양전자) 와 두개의 중성미자로 붕괴함. m+ -> e+ + ne +nm 뮤온과 전자의 에너지 및 시간간격을 측정하여 에너지 분포및 붕괴시간을 구함 뮤온 붕괴시간과 비행 거리로 부터 특수상대론의 시간 연장( time dilation)을 예측할 수 있음

18 실습 : 간장 통을 이용한 뮤온 검출용 액체 섬광 검출기
정지뮤온 2.2ms 붕괴시간 중성미자 전자 통과 뮤온

19 An example of muon and electron time spectrum

20 Stooped muon and electron energy spectrum

21 Muon decay time measurement

22 생각해 봅시다. 왜 간장은 유기물질 임에 불구하고 우주선인 지나갈 때 섬광(빛)을 내지 않는가? 왜 간장 통을 검출기 용기로 썼을까? 유기섬광 검출기는 어디에 사용될까? 왜 뮤온은 눈으로 보이지 않는데 검출이 가능할까? 뮤온 붕괴시 뮤온과 전자는 검출이 가능한데 중성미자는 왜 검출이 안될까? 중성미자를 검출하려면? 뮤온이 지상 10km에서 생겼는데 지상까지 도달할 수 있는 이유는?