清苇大净工程物理系 Department of Engineering Physics,Tsinghua Universlty 实验三.宇宙线缪子寿命测量 前言 本实验的目的是：学习一种测量微观粒子寿命的方法 1.从真实的实验测量中理解微观粒子的寿命。 2.学习如何在数据拟合中扣除偶然符合本底的贡献。 一.实验原理 本实验是宇宙线缪子的寿命测量。首先讲一下实验原理，宇宙线粒子与大气中的原子核碰撞大量次 级粒子，次级粒子产生缪子。缪子到达我们的闪烁体探测器，会在闪烁体中沉积能量，部分低能的 缪子会在闪烁体中沉积完所有能量并停止在闪烁体中，然后发生衰变， u+→et+e+yu h→e十e+u 通过测量初始缪子进入闪烁体的信号和衰变产物的电子在闪烁体内发出的第二个信号之间的时间 差，可以测量缪子的寿命。 在粒子物理标准模型理论中，缪子的衰变几率为 An=1 Gimic2 T4192m3i7 其中T4是缪子的寿命，也就是平均衰变时间，缪子的静止寿命为2.24s，静止衰变时放出的电子的 动能分布为从0MeV至53MeV(平均值为37MeV),衰变时间成指数分布。平均衰变时间目前 最好的测量结果如下所示： T4=(2.19703±0.00004)×106s, 我们采用双端符合的方法来压低热噪声，同时缪子的能量沉积导致的光电子数也要大于热噪声的光 电子的单个计数，通过提高触发阈值也可以大量抑制热噪声。这样，缪子打到闪烁体上能观察到一 个符合信号，衰变出来的电子可以观察到一个延迟符合信号，两个信号的时间差预计在微秒量级。 对于实验室中使用的大约5cm厚度的闪烁体，有1%的缪子能量较低（动能小于10MeV),大约 为1个/分钟或更低，因此应采用体积更大或更多的闪烁体。另外，经估计，如果缪子有1MV的能 量沉积，可以采用较高的阈值，例如100毫伏，进行实验。 二.实验主要内容 1,按照示意图连接好设备，检查信号情况，查看是否有延迟的衰变电子的信号，事例率是否与预 估结果相近。 2.利用示波器测量缪子发信号和延迟电子信号之间的时间差，计算平均时间，做寿命测量的粗 略估计。 3.采集约30分钟数据，利用示波器测量时间，做统计直方图。 4.利用最小二乘法拟合实验数据。 三.需要观察或测量的问题 1.如何初始检查信号的质量？ 2.如何利用最小二乘法去寻找参数的最优值？ 3.为什么可以用常数项作为偶然符合的本底项？实验三. 宇宙线缪子寿命测量 前言 本实验的目的是：学习一种测量微观粒子寿命的方法 1. 从真实的实验测量中理解微观粒子的寿命。 2. 学习如何在数据拟合中扣除偶然符合本底的贡献。 一. 实验原理 本实验是宇宙线缪子的寿命测量。首先讲一下实验原理，宇宙线粒子与大气中的原子核碰撞大量次 级粒子，次级粒子产生缪子。缪子到达我们的闪烁体探测器，会在闪烁体中沉积能量，部分低能的 缪子会在闪烁体中沉积完所有能量并停止在闪烁体中，然后发生衰变， 通过测量初始缪子进入闪烁体的信号和衰变产物的电子在闪烁体内发出的第二个信号之间的时间 差，可以测量缪子的寿命。 在粒子物理标准模型理论中，缪子的衰变几率为 其中 是缪子的寿命，也就是平均衰变时间，缪子的静止寿命为 ，静止衰变时放出的电子的 动能分布为从 至 （平均值为 ），衰变时间成指数分布。平均衰变时间目前 最好的测量结果如下所示： 我们采用双端符合的方法来压低热噪声，同时缪子的能量沉积导致的光电子数也要大于热噪声的光 电子的单个计数，通过提高触发阈值也可以大量抑制热噪声。 这样，缪子打到闪烁体上能观察到一 个符合信号，衰变出来的电子可以观察到一个延迟符合信号，两个信号的时间差预计在微秒量级。 对于实验室中使用的大约 厚度的闪烁体，有1%的缪子能量较低（动能小于 ），大约 为1个/分钟或更低，因此应采用体积更大或更多的闪烁体。 另外，经估计，如果缪子有1 MeV的能 量沉积，可以采用较高的阈值，例如100毫伏，进行实验。 二. 实验主要内容 1. 按照示意图连接好设备，检查信号情况，查看是否有延迟的衰变电子的信号，事例率是否与预 估结果相近。 2. 利用示波器测量缪子触发信号和延迟电子信号之间的时间差，计算平均时间，做寿命测量的粗 略估计。 3. 采集约30分钟数据，利用示波器测量时间，做统计直方图。 4. 利用最小二乘法拟合实验数据。 三. 需要观察或测量的问题 1. 如何初始检查信号的质量？ 2. 如何利用最小二乘法去寻找参数的最优值？ 3. 为什么可以用常数项作为偶然符合的本底项？ μ + → e+ + ν¯e + νμ， μ − → e− + νe + ν¯μ。 λμ = = , 1 τμ G2 F m2 μ c 2 192π 3ℏ 7 τμ 2.2 μs 0 MeV 53 MeV 37 MeV τμ = (2.19703 ± 0.00004) × 10 s, −6 5 cm 10 MeV