Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

PHITS simulations for CEvNS experiments at ESS

Karlsson Gumprecht, Jesper LU (2021) FYSK02 20211
Particle Physics
Department of Physics
Abstract
Recently the interest for coherent elastic neutrino-nucleus scattering experiments has increased since it is believed that through these experiments, a wide range of new physics, e.g., sterile neutrinos, could be discovered. This experiment is ideally performed at spallation sources and in this project we look into an experiment, which is planned at the European Spallation Source. However, the measurement is sensitive to background and therefore we specifically seek to describe the neutron background in the area of the room, which the experiment is planned to take place in. This is done through a tool called PHITS (Particle and Heavy Ion Transport code System), which is used to simulate the neutrons generated from the tungsten target. In... (More)
Recently the interest for coherent elastic neutrino-nucleus scattering experiments has increased since it is believed that through these experiments, a wide range of new physics, e.g., sterile neutrinos, could be discovered. This experiment is ideally performed at spallation sources and in this project we look into an experiment, which is planned at the European Spallation Source. However, the measurement is sensitive to background and therefore we specifically seek to describe the neutron background in the area of the room, which the experiment is planned to take place in. This is done through a tool called PHITS (Particle and Heavy Ion Transport code System), which is used to simulate the neutrons generated from the tungsten target. In this work, we expand an already existing PHITS geometry to include the location of the experimental room and also study the properties of neutrons that leak from the target. The energy spectra and the momenta of the leaking neutrons were extracted together with the relative amount of neutrons that would directly irradiate the room from the target. Furthermore, it was found that additional work to improve the used variance reduction technique is needed in order to sufficiently populate the experimental area in the simulation. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
European Spallation Source (ESS) är en forskningsanläggning under byggnad i Lund, där man ska använda sig av en accelerator för att accelerera och skjuta protoner på Volfram. Protonerna kommer ha en sådan enorm energi och hastighet att neutroner slås ut våldsamt. På så sätt skapar man en källa av neutroner som ska bli världens mest kraftfulla neutronkälla. De utgående neutronerna bromsas ner av moderatorer till energier som är användbara för experiment. Bland de experiment som planerats, är Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS) experiment. Olika sorters experiment har olika känslighet, och CEvNS mätningar är på den mer känsliga sidan. På grund av de många neutronerna som sänds ut, kan noggrannheten i mätningen påverkas.... (More)
European Spallation Source (ESS) är en forskningsanläggning under byggnad i Lund, där man ska använda sig av en accelerator för att accelerera och skjuta protoner på Volfram. Protonerna kommer ha en sådan enorm energi och hastighet att neutroner slås ut våldsamt. På så sätt skapar man en källa av neutroner som ska bli världens mest kraftfulla neutronkälla. De utgående neutronerna bromsas ner av moderatorer till energier som är användbara för experiment. Bland de experiment som planerats, är Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering (CEvNS) experiment. Olika sorters experiment har olika känslighet, och CEvNS mätningar är på den mer känsliga sidan. På grund av de många neutronerna som sänds ut, kan noggrannheten i mätningen påverkas. Därför måste man vidta vissa åtgärder för att se till att detta inte sker.

Genom simuleringar kan man skapa sig en uppfattning av hur mycket experimentet kommer påverkas av neutronerna. I detta arbete utför vi dessa simuleringar genom Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS) som bygger på Monte Carlo-metoden. Detta är en metod för att lösa problem där svaret inte är deterministiskt, utan beroende av olika slumpmässiga variabler. Ett exempel av ett sådant problem är om man skulle bestämma vilka riktningar två partiklar ha, efter en kollision med varandra. Om man skulle simulera denna kollision, skulle man få ett nytt resultat vid varje simulering. Det Monte Carlo-metoden bygger på är att utföra denna simulering ett flertal gånger och skapa en sannolikhetsfördelning som beskriver resultatet.

När man introducerar mer komplicerade modeller, ökar mängden beräkningar som krävs drastisk. För att tiden som krävs att utföra beräkningarna inte ska nå flera månader eller år, krävs det att man introducerar olika strategier som gör dessa beräkningar mer effektiva. Detta arbete undersöker även dessa strategier samt hur viktiga de är för just denna modell som beskriver neutronflödet vid ESS. Energin och rörelsemängden för de neutroner som kommer att avges från källan har analyserats. Dessutom har vi kunnat fastställa inriktningen för det ytterliggare arbete som kommer att krävas för att optimera simuleringarna innan man kan komma till några definitiva slutsatser om hur experimentet ska konstrueras i detalj. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Karlsson Gumprecht, Jesper LU
supervisor
organization
course
FYSK02 20211
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
PHITS, CEvNS, Coherent, ESS
language
English
id
9051011
date added to LUP
2021-06-08 19:24:23
date last changed
2021-06-09 09:50:19
@misc{9051011,
  abstract     = {{Recently the interest for coherent elastic neutrino-nucleus scattering experiments has increased since it is believed that through these experiments, a wide range of new physics, e.g., sterile neutrinos, could be discovered. This experiment is ideally performed at spallation sources and in this project we look into an experiment, which is planned at the European Spallation Source. However, the measurement is sensitive to background and therefore we specifically seek to describe the neutron background in the area of the room, which the experiment is planned to take place in. This is done through a tool called PHITS (Particle and Heavy Ion Transport code System), which is used to simulate the neutrons generated from the tungsten target. In this work, we expand an already existing PHITS geometry to include the location of the experimental room and also study the properties of neutrons that leak from the target. The energy spectra and the momenta of the leaking neutrons were extracted together with the relative amount of neutrons that would directly irradiate the room from the target. Furthermore, it was found that additional work to improve the used variance reduction technique is needed in order to sufficiently populate the experimental area in the simulation.}},
  author       = {{Karlsson Gumprecht, Jesper}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{PHITS simulations for CEvNS experiments at ESS}},
  year         = {{2021}},
}