《Astroparticle Physics》：Measurement of the muon flux at the Sanford Underground Research Facility with the LUX-ZEPLIN dark matter detector
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摘要到达深部地下实验室的高能宇宙线缪子会在探测器中引发与暗物质粒子、中微子或稀有衰变预期信号相似的事件。了解缪子通量和能谱对于评估由缪子及其次级粒子引起的本底率至关重要。在本文中，我们报告了使用LUX-ZEPLIN探测器在桑福德地下研究设施戴维斯园区对宇宙线缪子通量的测量结果
摘要
到达深部地下实验室的高能宇宙线缪子会在探测器中引发与暗物质粒子、中微子或稀有衰变预期信号相似的事件。了解缪子通量和能谱对于评估由缪子及其次级粒子引起的本底率至关重要。在本文中，我们报告了使用LUX-ZEPLIN探测器在桑福德地下研究设施戴维斯园区对宇宙线缪子通量的测量结果。利用366.4天的曝光时间，在内部氙探测器中能量阈值为20 MeV、外层液体闪烁体探测器中能量阈值为8 MeV的条件下，测得穿过探测器的缪子速率为。该速率对应于戴维斯洞室中的缪子通量为。
引言
LUX-ZEPLIN（LZ）实验正在宽WIMP质量范围内搜寻弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质以及其他稀有现象[1], [2], [3], [4], [5]。探测器采用双相氙气时间投影室（TPC），在顶部和底部配有光电倍增管（PMT）阵列。TPC周围环绕着液态氙（LXe）外壳和一个充满含钆液体闪烁体的外层探测器（OD），两者均作为反符合系统（veto探测器）以拒绝本底事件。LZ实验在桑福德地下研究设施（SURF）戴维斯园区4850英尺水平面运行。探测器的完整设计描述见参考文献[6]。
缪子相关本底通过各种过程对高灵敏度稀有事件搜寻实验构成威胁，例如来自中微子弹性散射的核反冲（WIMP搜寻）；中微子非弹性散射和俘获（中微子探测、无中微子双贝塔衰变、核子衰变及其他实验）。
该本底在现有实验中相对较小，但可能会限制SURF正在讨论或计划建造的更大探测器的灵敏度，例如DUNE [7]。因此，缪子测量对SURF的科学工作具有更广泛的影响。
此前，利用戴维斯太阳中微子实验的veto系统，在与LZ相同的洞室（垂直深度约1480米）中，测量了SURF垂直方向（距垂直方向18°以内）的缪子强度为 [8]。
通过将单缪子强度乘以同一实验测得的多缪子分数（多缪子与单缪子之比为9.7%），我们将单缪子和多缪子都纳入了上述数值。总缪子通量最近由MAJORANADEMONSTRATOR的veto系统进行测量，该探测器位于SURF同一水平的邻近洞室中，测得结果为 [9]。
上述两个通量无法直接比较，因为第一个是垂直方向报告的，而第二个实际上是所有角度的积分。利用MUSIC和MUSUN模拟预测的缪子角分布（见第2节），并将参考文献[8]的结果外推到总通量，参考文献[8]的测量值比MAJORANADEMONSTRATOR报告的约高20%。这种差异可能至少部分是由两个探测器位置不同导致的（它们之间的距离约为50米），但使用戴维斯洞室中的LZ进行新测量应能解决这一差异。
基于蒙特卡洛模拟，LZ实验中宇宙线缪子本底已得到广泛研究，得益于包括veto探测器在内的高本底拒绝能力，宇宙成因中子本底被评估为可以忽略[10]。
在本文中，我们报告了LZ中缪子事件速率的测量和模拟。结果有助于调节LZ缪子模型，并提供了戴维斯洞室中缪子通量的新测量。与之前的测量[8], [9]相比，我们改进了统计和系统不确定性。我们还以更精确的精度评估了戴维斯园区上方岩石的平均密度，这是未来缪子模拟的重要参数。
本文第2节介绍缪子模拟。第3节描述缪子事件的选择。第4节给出缪子速率测量结果。第5节解释从测得速率确定缪子通量的过程，并评估平均岩石密度。结论见第6节。
章节摘要
缪子模拟
下面给出的缪子模型描述了缪子的能谱和角分布。它与LZ测量结果一起使用——后者约束了探测器中的总缪子速率——以提取戴维斯洞室中的缪子通量。
戴维斯洞室中缪子的能谱和角分布是利用两个蒙特卡洛程序获得的：MUSIC（MUon SImulation Code）和MUSUN（MUon Simulations UNderground）[11], [12]，并针对LZ实验进行了适配。MUSIC传播缪子与
缪子事件选择
记录的缪子事件波形具有独特特征，已用于选择这些事件以评估LZ中的缪子速率。缪子分析考虑了两个数据集WS2022和WS2024，其运行条件描述见参考文献[1], [2]，探测器运行时间为366.4天。LZ实验中的宇宙线缪子事件可通过其在三个探测器系统（OD、Skin和TPC）中几乎同时发生的大能量沉积来唯一识别。在OD中
缪子速率测量
相同的缪子事件选择割线已应用于LZ数据和模拟数据，因此可以将所选TPC能量阈值以上的测量缪子事件速率与模拟缪子事件速率进行比较，并计算模型归一化因子。确定TPC中沉积能量的阈值是获得准确缪子速率的关键部分。一个特别关注的问题是缪子诱导次级粒子的影响，这可能需要非常高精度的建模。低能沉积
缪子通量评估
在本工作中，我们测量了穿过LZ三个探测器的缪子速率。从该测量中提取的一个有用参数是总缪子通量。下面，我们描述了从LZ数据推导缪子通量的过程，并将该通量与其他测量进行比较。我们还讨论了LZ数据与我们的初始缪子模型之间差异的最可能原因。
测得速率可通过将模拟缪子通量按相同比例缩放来转化为缪子通量
结论
LZ实验测得穿过三个探测器（TPC、Skin和OD）的缪子速率为，TPC中能量阈值为20 MeV，OD中能量阈值为8 MeV。该速率比初始缪子模型的计算值低了一个的因子。通过将模拟缪子通量按数据与模拟速率之比缩放，并将通量外推到戴维斯洞室顶部，我们从测量中推导出缪子通量为
CRediT作者贡献声明
H.J. Birch：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式化分析，数据整理，概念化。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的财务利益冲突或个人关系。
致谢
我们感谢SDSTA科学总监Jaret Heise博士的有用讨论以及提供Yates片麻岩岩石的组成。支持本工作的研究部分在位于南达科他州铅城的桑福德地下研究设施（SURF）进行。本工作的资金支持来自美国能源部，科学办公室，高能物理办公室，合同编号为DE-AC02-05CH11231, DE-SC0020216, DE-SC0012704, DE-SC0010010，
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