用于自由中子寿命实验 $\tau$SPECT 的超冷中子模拟框架

精确确定自由中子寿命在现代精密物理学中具有重大意义。该关键可观测量与通过卡比-科巴-亚木-马斯沃矩阵元素 $V_{ud}$ 相关联，以及大爆炸核合成后的原始元素丰度有关。然而，目前用于测量中子寿命的两种主要技术量产不兼容的结果，称为中子寿命之谜。为解决因中子与材料壁面相互作用引起的系统不确定性问题，$\tau$SPECT 实验采用完全磁制导的超冷中子 (UCN) 捕获装置。UCN 是一种能量极低的中子，典型速度小于 $8\,\textrm{m/s}$，可使用磁场、重力和合适的材料导轨进行操控，其表面可在任何入射角反射它们。为精确研究和表征 UCN 在生产、导向、储存和检测期间的行为，我们开发了一个专门的模拟框架。该框架基于外部开发的 UCN 蒙特卡罗软件包 PENTrack 构建，并增强了两个伴随工具：一个用于灵活且可参数化的 PENTrack 上游配置，以便根据实验观察调整模拟的输入设置。第二个软件包用于分析、可视化和动画化模拟数据。模拟结果与在 Paul Scherrer Institute 获得的 $\tau$SPECT 实验数据良好一致，作为识别系统不确定性并指导未来对当前实验 setup 改进的强大资源。