Simulation study of cosmic muons in the Earth’s atmosphere and underground using geant4

Abstract

Bu tezde, deniz seviyesi, Dünya atmosferinin farklı yükseltileri ve yer altındaki kozmik müonlara ait akı, yük oranı ve açısal bağlılık gibi özellikler Geant4 simülasyon programından yararlanılarak incelenmiştir. Deniz seviyesindeki müonların enerji spektrumları ve yük oranları farklı bölgeler için elde edilmiştir. Farklı eşik enerjili müonları oluşturan birincil protonların enerji ve açısal dağılımlarına ek olarak müon akısının zenit açıya ve yük oranının azimut açıya bağlılıkları yine bu kısımda araştırılmıştır. Bunlara ek olarak, muon spektrumu, yük oranı ve zenit açı bağımlılığının yerden yüksekliğe bağlı değişimleri de incelenmiştir. Son olarak, yer altına ulaşan müonlara ait akı ve zenit açı bağımlılıkları standart kaya yapısının çeşitli derinlikleri ve bir tuz madeninin farklı seviyeleri için ayrı ayrı elde edilmiştir. Çalışmanın her bir aşamasında elde edilen simülasyon sonuçlarının, benzer koşullarda elde edilmiş olan deneysel sonuçlarla uyumlu olduğu görülmüştür. Bu uyuma dayanarak, simülasyon çalışması deneysel verilerin olmadığı bazı durumları da içerecek şekilde genişletilmiştir.

In this dissertation, cosmic muon properties, such as the intensity, charge ratio and angular dependence, at sea level, at different altitudes in the Earth's atmosphere and various underground depths have been investigated using the Geant4 simulation package. The energy spectrum and charge ratio of the sea level muons have been obtained for different geomagnetic locations. Energy and zenith angular distributions for parent primaries of the muons with different threshold energies, in addition to the angular dependence of muon intensities, have also been estimated for the ground level. Secondly, altitude dependent profiles of the muon spectra and charge ratios, together with the zenith angular dependence of muon intensities, have been obtained in this study. Finally, intensities and their zenith angular dependence have been investigated for underground muons at various depths of the standard rock and several levels of a salt mine. The results obtained throughout this study have been found to be in general agreement with the available experimental data. The simulation studies have also been extended to describe the cases that have not been covered by the experiments.