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对于科学家来说,21世纪最大的谜团莫过于“暗物质”,她吸引科学家们投入了大量的人力、财力和物力,开展了天上、地面、地下很多的实验以期能揭开她神秘的面纱。其中地下实验以其极“干净”的环境成为探测暗物质的绝佳地点。世界各国依托大型地下工程相继设立了地下实验室,比如前不久误测到超光速中微子的意大利格兰萨索国家实验室、韩国的阳阳地下实验室以及位于加拿大南部城市萨德伯里的中微子观测实验室(SNO-Lab)等其他实验室。
之所以说地下实验室有“干净”的环境是由于地下实验室借助上方覆盖的岩石等可以成功的将地面上大部分的粒子阻挡,即使穿透等能力很强的μ子(地面宇宙射线的主要成分)也很难到达地下很深的地方。借助这样的环境,科学家们可以完成各种低本底实验,寻找各种可能的稀有事例。暗物质最热门的候选者WIMPs被假设为可以与普通物质发生弱相互作用的粒子,不过这个相互作用的截面很低,所以WIMPs的探测足典型的低本底实验。
对于低本底实验最重要的就是本底的理解与扣除,我国首个地下低本底实验室:中国锦屏极深地下实验室(CJPL)选址在距离山顶2400m深的隧道中,这个深度足以躲避地面各种粒子的干扰,但是每年仍然会有上百个高能μ子的造访。能够较为准确的预知μ子的通量,将为实验室的前期建设以及后期的本底扣除提供必要的参考,具有重要的意义。
本文的主要工作即是采用蒙特卡洛模拟模拟程序GEANT4,模拟μ子的输运行为,完成了两个最主要的任务,其一是完成了地表μ子的模拟,获得了地面宇宙线的能谱、角分布等详细信息,可以为即将进行的μ子的地面测量实验提供参考,判断建筑物的屋顶等对μ子测量结果的影响程度;其二是,通过完成μ子在大深度标准岩石中输运过程的模拟得到了地下2400m处μ子的能谱等信息,且计算出了该处的通量,预测了CJPL实验室μ子通量的上限为126m-2year-1,该通量水平与SNO-Lab相当,甚至更优。