缪子综合实验

实验负责人：宁传刚
小组成员：宁传刚张钊陈星

了解缪子的基本性质

缪子是基本粒子之一，属性和电子相似，它带负一价基本电荷，自旋为1/2，质量约是电子的207倍。高能宇宙射线在大气环境中不间断地产生着缪子，因而不依赖大型粒子加速器，在普通教学实验室也可以进行缪子实验。

了解测量缪子寿命的方法

缪子不稳定，会发生衰变。利用较为简单的测量装置就可以测量缪子寿命，了解脉冲信号处理和数据的统计处理方法。

了解狭义相对论钟慢和尺缩效应

静止的缪子寿命约2微秒，但在大气层上空产生的高能缪子却能穿过大气层到达地面，是狭义相对论钟慢和尺缩效应的很好例子。

基本现象和实验内容：

高能粒子的探测方法；
随机事件的数据统计处理;

基本方法及技术：

基于闪烁晶体加光电倍增管的缪子探测器原理；
基于数字示波器的数据获取和处理方法；
缪子衰变事件的筛选电路的原理。

设备仪器操作：

用计算机通过USB接口实现对示波器控制和操作，能够观测到缪子信号；
利用数字示波器的记录功能，能够从大量本底中识别出缪子衰变事件；
正确设置数据获取软件，并能读懂获取到的数据。

基本要求：

用示波器观测探测器的输出信号，能够鉴别探测器是否正常工作；
能够从大量本底中识别出缪子衰变事件的信号特征；
对获取到的大量缪子衰变事件进行统计处理，得到缪子的寿命分布谱和平均寿命；

测量缪子能量损失谱和衰变事件中的缪子能谱；

塑料闪烁体探测的输出信号幅度近似和高能粒子在探测器中损失的能量成正比。大量缪子穿过探测器时并没有衰变，利用塑料闪烁体探测的输出信号可以近似得到缪子穿过探测器损失能量的分布。对筛选出的衰变事件中的缪子信号幅度进行统计也可以得到能量分布。

测量缪子衰变产生的电子能量分布；

对筛选出的衰变事件中的电子信号幅度进行统计可以得到电子的能谱。

利用粒子模拟软件GEANT 4模拟缪子在探测器中的行为

建立探测器的真实模型，用GEANT 4软件对缪子在探测器中的行为进行蒙特卡洛模拟，并和实验数据进行比较。

利用数字示波器的驱动软件编写数据采集程序

该实验中的数字示波器的ADC是12位，采样速率1G sample/s，能够通过USB接口快速读取缓存中的数据。参考示波器的示例程序，编写数据获取软件。软件需要实时显示筛选出的脉冲信号波形，并用横比定时方法测量脉冲的到达时间和脉冲幅度，实时更新统计分布。

设计一个电路，并利用此电路从大量未衰变缪子信号背景中筛选出衰变事件。

示波器的使用：熟练使用数字示波器的匹配，耦合，触发，数学处理，记录等功能；
脉冲信号的处理：脉冲信号的定时方法，脉冲幅度分析；
随机事件的统计处理：统计分布的产生，数据拟合。

高能粒子和物质的相互作用，探测器工作原理，相对论效应，缪子的性质

粒子物理，天体物理，高能粒子探测技术

缪子和电子都是轻子，由于缪子比电子重207倍，所以用缪子取代原子中的一个电子时，由于缪子和原子核距离很近，可以更好地研究核的结构。例如最近的质子半径之谜，就是利用缪子取代氢原子中的电子，从而得到缪氢原子，由于QED效应，2s和2p之间会有能级劈裂。精密测量2s和2p之间的能级劈裂，通过和高精度理论计算结果进行比较，可以得到质子的电荷等效半径。另外，如果两个缪氢原子缔合成缪氢分子，还可以大大降低核聚变的势垒。