Pomiar tła neutronowego w kopalni soli w Slanic w Rumunii

Neutrony są trudnym do wyeliminowania tłem w eksperymentach niskotłowych, takich jak np. poszukiwania ciemnej materii, badania neutrin czy podwójnego rozpadu beta.

Narodowy Instytut Fizyki i Techniki Jądrowej im. Horii Hulubei (IFIN HH) w Bukareszcie ma niskotłowe laboratorium w udostępnionej publiczności części kopalni soli Unirea w Slanic w Rumunii. Miejsce to jest jedną z możliwych lokalizacji jednego z dużych eksperymentów projektu LAGUNA. Ściany kopalni zawierają prawie wyłącznie czystą sól - NaCl, praktycznie bez potasu, więc spodziewane tło neutronowe jest tam bardzo niskie.

Pomiary strumienia neutronów w kopalni w Slanic przeprowadziliśmy w okresie od 19 listopada 2011 r. do 10 stycznia 2012 r. przy użyciu układu 16 liczników helowych wyprodukowanych w ZDAJ IBJ ok. 30 lat temu. Do pomiaru neutronów termicznych użyliśmy "gołych" liczników helowych, a do pomiaru neutronów nietermicznych - liczników umieszczonych w blokach polietylenu. Każdy licznik rejestruje neutrony termiczne poprzez reakcję z ³He, w której powstają protony i jądra trytu o całkowitej energii kinetycznej równej 764 keV. Liczniki helowe pracują w modzie proporcjonalnym i w większości przypadków ta energia jest mierzona. Przy bardzo niskich strumieniach neutronów pojawia się trudny problem związany z tłem cząstek α pochodzących ze szczątkowej radioaktywności elementów konstrukcji licznika.

W pomiarach w Slanic użyliśmy tego samego układu liczników helowych i układu zbierania danych, jaki zastosowaliśmy w pomiarach w podziemnym laboratorium w Gran Sasso w 2008. Możemy więc niemal bezpośrednio porównać strumienie neutronów zmierzone w obydwu podziemnych laboratoriach.

W pomiarach neutronów termicznych tylko 13 liczników pracowało stabilnie. Zarejestrowaliśmy 471 przypadków z wydzieloną energią bliską 764 keV, z czego 273.6 przypadków to spodziewane tło od cząstek α, a więc w ciągu ok. 229 godzin efektywnego czasu pomiaru zarejestrowaliśmy 197.4 przypadki neutronów. Wynika stąd tempo rejestracji równe 1.6 neutronu na dzień na licznik i strumień neutronów termicznych równy

(1.35±0.32) × 10^-7 n/cm²/s

(ok. 4 razy niższy niż w Gran Sasso).

W pomiarach neutronów nietermicznych (12 pracujących stabilnie liczników helowych w moderatorze z polietylenu) w ciągu 35.5 dnia zarejestrowaliśmy prawie 2295 neutronów (3727 przypadków w obszarze piku 764 keV, z czego 1432.1 przypadków to spodziewane tło od cząstek α). Tempo rejestracji wynosiło 5.4 neutronu na dzień na licznik i było 1.4 raza wyższe niż odpowiednie tempo rejestracji w Gran Sasso.