μ子寿命测量

  • 实验者:何俊(2010年9月起,设计性研究性物理实验),古杰(2010年4月到6月,近代物理实验I选做课题)
  • 指导老师:乐永康

实验目的

μ子是自然界的基本粒子之一,地球上的生物每时每刻都受到μ子的照射。μ子最早于1937年被J.C.Street和E.C.Stevenson发现1),后来物理学家通过各种不同的方法对其进行了探测2),得到其基本寿命为:(2197.03±0.04)ns。通过该实验,加深对宇宙射线性质的了解,提高对高能物理理论、高能粒子探测技术以及数据获取和处理的整体认识,并且要掌握测量μ子寿命的原理及方法。

实验原理

一、地面上的μ子来源
宇宙射线在进入高层大气时与大气发生反应,产生大量的π介子。π介子寿命很短,会很快衰变为μ子。由于μ子不参与强相互作用,只能通过弱相互作用衰变,因此它在大气中具有较强的穿透力。它的衰变方程式为:
μ^{-}{→}e+{ν_{e}}^{-}+ν_{μ}
其中{ν_{e}}^{-}为电子反中微子,ν_{μ}为μ子中微子。
大气层高度约为15km,产生的μ子接近光速,根据前面给出的μ子寿命可以轻易得到:在相对μ子静止的参考系中可以看到μ子仅仅能够移动六百多米,那么我们怎么能够在地面探测到μ子呢?实际上这是一个典型的相对论效应,通过考虑相对论效应过后我们可以很轻易的知道在地面上仍然存在着大量的μ子,这里就不再细述。
二、探测原理

上图为μ子探测原理图,μ 子从高层大气穿透下来,进入塑料闪烁体,产生的光脉冲进入PMT,倍增过后通过一个线性放大器线性放大,随后经过一个甄别器的筛选,输出到FPGA进行鉴定,最后在PC 上显示出来。其中甄别器的工作原理是筛选高于其阈值的信号输出,而FPGA的功能是记录满足其时间设定的两个脉冲之间的时间间隔。

实验装置

3)
上图中黑色的铝制圆柱里面,包含了塑料闪烁体,PMT,以及高压电源;MUON PHIYSICS子箱里面包含了放大器以及甄别器。

实验内容

  • 观察Amplifier和Discriminator随外界频率及幅度输入的响应情况
  • μ子寿命测量

进展

  • 观察Amplifier随外界频率及幅度输入的响应情况

通过将一个正弦信号输入电子箱,随着正弦信号频率以及幅度的变化,放大器的输入也会跟着有变化,具体变化情况如下:

通过上面的图可以看到,Amplifier的频率响应是线性的,但是幅度响应会出现一个饱和值,因此我们加的高压电源不能太高,要不然输出的第一级光脉冲信号会很强,以至于超过Amplifier的饱和电压。

  • 观察Discriminator随外界频率及幅度输入的响应情况

同样将一个正弦信号输入到电子箱里面,此时将Discriminator的信号接出,也可以观察到其输出频率及幅度随外界输入的变化情况:

通过上面的图像可以看到,Discriminator的频率响应仍然是线性的,但是其幅度响应却跟Amplifier很不一样,刚开始时由于外加信号电压很小,无法超过其阈值,因此此时Discriminator没有输出,随着外加信号电压的增大,当其超过Discriminator的阈值过后,Discriminator会有一个常值输出,但是当外界信号电压很高时,超过了Discriminator的正常响应电压,Discriminator的输出会有一个突变,最后稳定在一个比较小的输出上面。

  • μ子寿命测量

通过对得到的一系列数据点的拟合,可以得到下面的拟合图像:

通过设定不同的time bin scale,得到了上面的图像,在time bin scale基本为1000ns时有最好的拟合结果,因此我选择在1000ns时的拟合结果τ=2122ns作为我测得的μ子寿命值。

实验数据

——衷心感谢叶竞波教授提供以下数据! — 乐永康 2010/07/11 20:10

原始数据

筛选后的“寿命测量”有效事件数据

讨论区

 
exp/muon/lifetime.txt · 最后更改: 2010/10/31 14:33 由 xiaole
 
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