Making Cosmic Ray Muon Track Detectors = 우주선 뮤온 궤적 검출기 제작에 관한 고찰

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We developed simplified cosmic ray muon particle trackers for education purposes. The component of the tracker consists of a kg-scale individual detector. The detector utilises a liquid scintillator developed for the RENO experiment, a reactor neutrino oscillation experiment. A silicon photomultiplier (SiPM) sensor detects the scintillation light emitted from the interaction of particles. Each detector unit has its own data acquisition (DAQ) electronics circuit board, which amplifies and stretches the SiPM signals. The amplified signal activates a light-emitting diode (LED) attached to the circuit board. Detector units are then stacked in an array such that a track of a cosmic ray muon can be visualised as a coincident blink of LED lights. This thesis provides general information on detectors, statistics, the interaction of particles with matter, and practical details for a real experiment using the muon track detector.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 교육 목적을 위해 개발한 단순화된 우주선 뮤온 입자 추적기에 대해 다룬다. 추적기의 기본 구성 요소는 질량이 수 kg 규모인 개별 검출기 유닛으로 이루어져 있다. 각 검출기는 원자로 중성미자 진동 실험인 RENO 실험을 위해 개발된 액체 섬광체를 사용하고, 입자가 검출기 물질과 상호작용할 때 발생하는 빛은 실리콘 광증배기(SiPM) 센서에 의해 검출된다. 각 검출기 유닛에는 자체 데이터 수집(DAQ) 회로가 장착되어 있으며, 이 회로는 SiPM에서 발생한 신호를 증폭하고 늘려준다. 증폭된 신호는 회로 기판에 부착된 발광 다이오드(LED)를 작동시키고, 이를 통해 검출 신호를 시각적으로 확인할 수 있다. 여러 개의 검출기 유닛을 배열 형태로 쌓으면, 우주선 뮤온의 이동 경로가 LED의 동시 불빛으로 시각화된다. 본 논문은 검출기의 일반적인 개념, 통계적 기초, 입자와 물질의 상호작용에 대한 이론적 배경을 제공하며, 본 연구실에서 개발한 뮤온 추적 검출기를 이용한 실제 실험의 구체적인 방법과 실습 내용을 함께 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 2 Particle detectors 3
• 2.1 What is a particle? 3
• 2.1.1 The theorist’s POV 3
• 2.1.2 The experimentalist’s POV 4
• 2.1.3 The field 5
• 2.2 What is a particle detector? 8
• 2.3 Energy deposition 9
• 2.4 Scintillation (i.e., light emission) 14
• 2.5 Interactions of charged particles with matter 17
• 2.6 Interactions of photons with matter 18
• 2.6.1 Photoelectric effect 20
• 2.6.2 Compton scattering 20
• 2.6.3 Pair production 22
• 2.7 Light collection 23
• 2.7.1 PMTs (i.e., the photoelectric effect) 23
• 2.7.2 Light collection efficiency 26
• 2.7.3 Reflectors 27
• 2.7.4 Photocoverage 28
• 2.7.5 Light guides 29
• 2.8 DAQ 30
• 2.8.1 The ADC 32
• 2.8.2 Converting pulse heights to energies 33
• 2.9 Detector shielding 33
• 3 Monte Carlo simulations 35
• 3.1 General characteristics of particle detectors 36
• 3.1.1 Spectra 36
• 3.1.2 Scintillators 40
• 3.1.3 Energy calibration 43
• 3.1.4 Energy resolution 47
• 4 The muon track detector 51
• 4.1 Cosmic ray muons 52
• 4.2 (Single) Detector design 56
• 4.2.1 Light emission 57
• 4.2.2 Light collection 57
• 4.2.3 DAQ 58
• 4.3 Data-taking and analysis 70
• 4.3.1 Build and operation 70
• 4.3.2 Pulse area spectrum 76
• 4.3.3 Coincidence 79
• 4.4 Stacking 81
• 4.5 Future plan 82
• 4.6 Troubleshooting checklist 85
• 5 An aside: the muon lifetime detector 87
• 6 Conclusion 93