相对论效应下μ子寿命的实验研究

2020-02-23

中国新技术新产品 2020年24期

（南华大学，湖南衡阳 421001）

0 引言

在地球表面可以探测到的宇宙射线就是μ子，μ子产生于离地面15 km的高空，其速度接近光速。工作人员一般使用多个探测器对μ子进行观测，对其寿命进行测量，并利用延迟符合的方法测量其衰变的时间分布，该方法成本较高。为了在降低实验成本的同时，可以方便快捷地测量出宇宙线μ子的寿命，研究人员经过研究和改进，发明出融合NaI（Tl）闪烁体探测器、时间甄别器、时间幅度转换器以及多道分析器的简单方法（1种利用大面积塑料闪烁探测器配上可编程的程序逻辑器件）去测量μ子的寿命。该方法不仅成本较低，而且还能保证实验结果具有极高的准确性。研究人员在实验室测量的μ子寿命也是以闪烁体探测为基础而开展的，所用到的实验设备是宇宙线测量装置CRP3。

1 μ子的寿命及实验室探测原理

1.1 μ子寿命

μ子是1种在粒子碰撞中产生的亚原子粒子。更恰当的说法是它的电荷等于电子的电荷，其质量是电子的200多倍。因此，它通常被认为是1个重电子。然而，与电子不同，μ子寿命很短，会很快衰变为其他粒子，通常是1个电子和一些中微子。实验表明，它们的平均寿命（或者说半衰期）是2.2 μm。也就是说，如果研究人员从1 000个μ子开始，在2 μm之后，预计会剩下大约500个 μ子。再过2 μm，将剩下250个μ子等。μ介子是1个不稳定的基本粒子，即μ子会被分解为其他粒子。在罗西（Rossi）进行关于μ子衰变的开创性实验时，已知的其他基本“粒子”是光子、电子及其反粒子（正电子）、质子、中子和中微子。从那时起，已经发现了数10种粒子和反粒子，其中大多数是不稳定的粒子。实际上，在所有被观测为孤立实体的粒子中，寿命比μ介子长的只有光子、电子、质子、中子、中微子及其反粒子。甚至中子在自由时也会遭受β衰变，其半衰期为15 min[1]。

1.2 μ子寿命的探测原理

研究人员在该实验中使用的是实验室的宇宙线测量装置CRP3。当宇宙线粒子在该装置的闪烁体中停止衰变时，CRP3的探测器会将信号传给该实验装置的读出电子学系统。经过电子学系统的处理，将信号反馈给处理芯片。数字处理芯片会记录μ子衰变的个数和时间，同时在图表上反映出来。在该次μ子寿命测量实验中，可以认为所有被探测器检测到和记录下来的宇宙线粒子都是μ子。宇宙线中高能的μ子进入闪烁体就会产生闪烁光；这时，电子在管子末端被阳极收集，形成电子脉冲；接着仪器检测并显示脉冲。衡量μ介子的寿命需要宇宙线物理测量设备CRP3连接1台电脑。当CRP3中的塑料闪烁体探测器探测到高能量粒子时就会产生光。产生的光学信号会传输到光电倍增管PMT，并用来探测闪烁体发出的荧光。通过改变光电倍增管PMT的电压来改变 PMT的敏感性。PMT会放大第一部分的信号，从互动中发出光并把它们发送到电子设备，其中包括时钟和振幅过滤器。当μ介子处于闪烁的交互、减缓和停止状态时，它就会衰变释放出电子和2个中微子，但这些可以被忽略。因为电子比μ介子的质量要小很多，所以可以通过测量2架轻型排放量的差异来测量μ介子的寿命。闪烁器或光电倍增器组件在经过正确配置后，每秒会产生多个电子事件，几乎所有的电子事件都是由介子穿过闪烁器而产生的。由于μ子的动能远低于平均动能，且因为μ子在闪烁体中损失了大量能量，所以它无法进入闪烁体，在静止时仍然会产生闪光的闪烁体。即便如此，它们也都会在电子、正电子、中微子和反中微子中衰减。停止的介子所剩余的能量（105 MeV）表现为3个粒子的动能[2]。

电子（正电子）获得该能量的1/3，约35 MeV（无法检测到2个中微子带走的剩余能量）。电子是带电粒子，它本身肯定会在通过闪烁体时引起电离。在该电离过程中沉积的典型能量与通过介子或停止介子所沉积的能量相等。μ子进入管子时的总能量仅为160 MeV。当介子减速至停止时，激发的闪烁体会发出由光电倍增管（PMT）检测到的光，最终产生触发定时时钟的逻辑信号。停下来的介子会在一段时间后分解为电子、中微子和反中微子[3]。

μ子的质量为105.7 MeV/c2，是电子质量的200多倍，因此电子趋向于高能并且会在其整个路径上产生闪烁体光。中微子和反中微子也共享一些μ子的总能量，但它们完全无法被检测到。PMT还可以看到第2个闪烁体光，并用于触发计时时钟。一组μ子衰减的连续时钟触发之间的时间间隔分布是用于测量μ子寿命的物理量。检查框架窗口最多有7.00 μm，因此可能会低估实验所获得的值。但是该值与得到的结果一致，即正介子的理论值为2.2 μm，该值等于在空白空间中测得的值；负介子的理论值为2.00 μm。当它们受到与闪烁体材料核相互作用的影响时，数字信号处理芯片内的计时器就开始计时。当μ子在闪烁体内停下并衰变为电子和2个中微子时，衰变出来的电子就会从μ子的质量中获得动能，同时在闪烁体内产生第2个闪烁光信号。该信号将使计时器停止计时，并产生读出信号。但是并不是每个穿过闪烁体的μ子都会衰变。实际上是绝大部分μ子都是直接穿过闪烁体且没有发生衰变。如果发生该情况，CRP3的计时器就会计满22 μs，22 μs是μ子寿命τ的10倍。计数器计满22 μs后会产生溢出信号，这时计数器就会归零，然后再重复上述过程。

2 μ子寿命的测量方法

2.1 μ子寿命的测量实验所用到的实验仪器

在实验室条件下，研究人员采用宇宙线测量实验装置CRP3来测量μ子的寿命，该设备工作温度为-40 ℃～25 ℃，在有强制通风（电风扇）的环境里其工作温度可以在-40℃ ～40 ℃。交流供电为 100 V～240 V、50 Hz～60 Hz，功耗小于15 W，并且可以常年开机运行。该宇宙线测量实验装置主要由探测器和读出电子学系统组成。该实验设备的探测器主要是由闪烁体、光电倍增管和高压及分压系统这3个部分构成。实验测量装置CRP3中的闪烁体是固体塑料闪烁体。探测器具有密度大、平均原子序数高以及发光效率大等特点[3]。

在该次μ子寿命的探测实验就是利用了粒子可以在物质中发出闪烁光来探测粒子的特性。闪烁体吸收了射线后，闪烁晶体会发出在可见光谱中存在的光脉冲。各种类型的灵敏光电探测器都与晶体紧密耦合，因此可以将产生的微小火花传送到光学传感部件。为了使灵敏度达到最佳，需要对光电倍增管（PMT）进行倍增。尽管PMT易碎、笨重且需要非常高的电压，但PMT可以将闪烁体探测器产生的极其微弱的光信号变成电信号，然后再将该电信号放大100 万倍。由于PMT可以将光信号转化为电信号，并且将其放大；所以，即使它在这个过程中需要很高的电压，研究人员仍然在最高灵敏度的闪烁检测器中使用它们，以保证实验的准确性。当辐射与其发生相互作用时，该材料会发光或“闪烁”。闪烁体发出的信号传输到读出电子学系统并进行进一步处理。在CRP3宇宙线测量装置中，读出电子学系统主要是由放大器、甄别器、数据处理器、USB和电脑组成的；该宇宙线探测装置的读出电子学系统的主要功能就是对探测器探测出的信号做放大甄别处理，然后将处理好的信号显示在电脑上，计算机会对μ子衰变的个数和时间做1个统计，通过得到的数据就可以算出μ子的平均寿命[4]。

2.2 CRP3宇宙线测量装置的使用方法

CRP3宇宙线测量装置可以在任何位置使用，放在不同位置对宇宙线的吸收也不同，就导致其对μ子的测量结果也会不同。CRP3宇宙线测量设备的GPS天线需要安放在面南的窗户内侧且需要紧靠玻璃。该实验所用到的CPR3宇宙线测量装置由2个宇宙线物理探测器组成。这2个宇宙线物理探测器（探测器1和探测器2）分别连接2个接口。将这2个接口分别标为接口1和接口2。电源开启后，打开通道1或者通道2的开关后，将上面的调节旋钮扭到离开0的位置，就会有红色的LED灯亮起。说明装置处于正常工作状态。打开接口1或者接口2的开关有4种组合。这4种组合能够分别测量μ子的寿命和符合计数，具体情况见表1。

表1 测量μ子的寿命和符合计数

在进行符合计数时，通道1与通道2的逻辑关系是“And”；在进行反符合计数时，通道1与通道2的逻辑关系是“XOR”。由表1可知，通道1打开、通道2关闭或者通道2打开、通道1关闭，这2种组合状态都可以测量μ子的寿命。由于该实验仪器中探测器2内部的闪烁体较薄，所以探测器2只适合于μ子的计数,不适合μ子寿命的测量。因此在进行μ子寿命的测量时，应该选择打开通道1，关闭通道2这种组合。在进行μ子寿命的测量实验前，要将探测器的高压调节到光电倍增管正常工作的电压区间内，光电倍增管的正常工作区。光电倍增管的正常工作区一般在-900 V～-1 100 V。在探测器的面板上进行高压设置，首先，把万用表的红黑插头插入探测器面板上对应的红黑插孔中；其次，读出万用表上的电压（万用表上的电压与探测器上高压的比列为 1∶250，也就是说当在万用表上读出的电压为1 V时，对应探测设备上的的负号字体不对250 V）；最后，就可以调节对应探测设备面板上的旋钮。

在主机的前面板也有1个插孔，是用于监测甄别阈电压的。虽然每一通道的甄别阈电压为200 mV为最佳，但是可以在50 mV～400 mV工作。在连接好设备和探测器后，用万用表测量出探测器和面板的电压，并调节到相应的数值，就可以开始准备测量了。对于μ子寿命的测量我们可以先关闭1通道的开关，打开2通道的开关，来测量μ子的本底计数。然后我们可以关闭2通道开关，打开1通道开关,进行μ子寿命的测量；最后需要安装1个宇宙线测量主程序，在该程序的设定栏下面设置μ子寿命测量数据保存的位置，可以设置1个独立文件夹，来储存μ子寿命测量的实验数据。

在主程序菜单中，File 菜单提供保存、读入数据、打印及退出程序的功能；Settings 菜单提供保存文件的路径、设置文件名、选择串口和对数坐标的功能；Data 菜单提供查看数据源、查看本地坐标和清除读入数据的功能；Help 菜单提供版本信息。在程序的Settings 菜单中，可以勾选 Settings菜单的对数标尺（Logarithm Scale）选项。这样就可以把μ子衰变数量随时间变化的关系图变为对数曲线的形式。

在测量前，我们还需要确定正确的串口。单击Settings→Serial Port 进入选择串口的界面，在文字 Serial Port 的右下拉栏内会出现系统可以使用的串口；选择在设备管理器中与设备相对应的 USB Serial 口,在该实验中，研究人员选择的串口是COM3串口。设置好串口和数据保存位置后，单击START键就可以开始测量μ子的衰变数随时间变化的关系。在每次测量结束后，需要单击STOP键清除上一组测量的数据，这样才能开始对下一组进行测量。如果没有单击STOP键并且清除上一组的数据，当再次单击START键时，计算机还是会继续从上一组数据开始往后记录，不会重新开始记录。在记录完1组数据后，可以单击File键读出数据并且保存数据；在保存完1组数据后就可以进行对下一组数据的测量。有1点需要注意：在完成对一组数据的测量后，对数据进行保存和导出时最好将CRP3宇宙线物理测量装置的电源关闭，否则在进行数据保存的时候，会出现电脑界面卡死的情况。出现该情况的原因可能是探测器长时间运作，计算机在导出数据的时候出现错误。如果出现该情况，需要将CRP3宇宙线物理测量装置重启一次。

3 μ子寿命的测量数据及数据分析

3.1 μ子寿命的测量数据

在实验室的条件下，利用宇宙线测量设备CRP3对μ子寿命进行测量，具体的实验数据见表2。

在实验中，可以测得μ子的衰变数量和衰变时间。通过μ子的衰变数量随时间的变化关系，可以拟合出变化曲线并算出寿命τ的数值。同时，研究人员计算5组数据的平均值，从而达到减小误差的效果。

表2 宇宙线测量设备CRP3对μ子寿命进行测量的实验数据

3.2 数据处理及分析

研究人员根据用5组数据拟合出来的μ子寿命τ的值，计算出平均值τ=（2.5710+2.4629+3.3873+2.6267+1.4333）÷5=2.49624 μs，方差为 0.624107。

由以上结论可知，通过宇宙线测量装置CRP3所测得的μ子寿命τ的值为2.49624 μs，实验结果与理论值（2.2 μs）的误差符合标准，实验结果正确。在该实验中，第4组和第5组的μ子寿命τ的值偏离理论值（2.2 μs），第4组的测量值偏大，第5组的测量值偏小。产生该结果的原因有以下4点：1）高能光子和电子也能在闪烁体中产生闪烁光，并引起计数，虽然数量非常小，但是还是会造成微量的误差。2）当μ 子在闪烁体内停下并衰变为电子和2个中微子时，衰变出来的电子没有在闪烁体内被捕获，但其发出的闪烁光也会引起误差。3）实验的测量时间不足会导致测量不够准确。4）仪器本身的内部计数存在误差。