Bestimmung der Lebensdauer von Myonen

Meine Kollegen und ich führten mehrere Experimente durch, um die Lebensdauer des Myons (aus sekundärer kosmischer Strahlung) zu bestimmen, indem wir Szintillatordetektoren verwendeten, die mit Mehrkanalanalysatoren gekoppelt waren. Die Ergebnisse zeigten ausnahmslos eine Myonenlebensdauer von weniger als den standardmäßigen 2,2 Mikrosekunden. Abgesehen von schlechten Statistiken und unter der Annahme, dass keine Fehler in der verwendeten Ausrüstung vorhanden sind, welche anderen Faktoren könnten für die Diskrepanz verantwortlich sein?

Sie haben es vielleicht mit dem geladenen Pion verwechselt, dessen Lebensdauer 100-mal kürzer ist? ;-) Ist diese Möglichkeit erlaubt?
Dies könnte in einem allgemeinen Fall eine Möglichkeit sein, aber die Ergebnisse hier zeigten keine so große Abweichung. Die gemessene Lebensdauer betrug etwa 1,6 Mikrosekunden. Könnte es möglich sein, dass das Myon und sein Antiteilchen unterschiedlich mit einem Szintillatormaterial interagieren? :-)
Sie interagieren sicherlich anders mit jeder Materie - Myon ist ein Geschwister, Antimyon ist ein Feind -, aber ich nehme an, dass Sie wissen, wie man den Ort mit dem Scientilator misst, unabhängig von den Details der Wechselwirkungen.
Die Pion-Kontamination sollte ziemlich gering sein. Wenn Sie es haben, erhalten Sie einen gewichteten Durchschnitt von hauptsächlich Myonen mit einigen Pionen.
Sagen Sie noch ein paar Worte über die Zeitmessung, die Sie durchführen. Ist dies ein verzögertes Koinzidenzexperiment, das sich auf den Michel-Elektronenpeak stützt, um das verzögerte Ereignis zu identifizieren (die übliche Stopp-Myon-Analyse)? Wenn ja, wie hoch ist Ihre Gesamtereignisrate (dh könnten Sie Ihr promptes Ereignis falsch identifizieren)? Wie kalibrieren Sie Ihre Energiewaage? Wie breit ist das Energiefenster des verzögerten Ereignisses? Wie kalibrieren oder verifizieren Sie Ihre Zeitmessung? Mehr Energie und Physikerstunden fließen immer in die Kalibrierung und Überprüfung Ihrer Ausrüstung und Einrichtung als in die Durchführung der Messung.
Es ist wahr, dass der vorherrschende Fluss auf Meereshöhe Myonen sind, aber selbst eine kleine Pion-Kontamination wird die Lebensdauer verringern, wie Lubos beobachtet hat? Sind Sie unter der Erde oder vor Pionen geschützt? Den Versuchsaufbau muss man gesehen haben.

Antworten (2)

Wie Sie in Ihrem Kommentar angedeutet haben, ist die μ − Und μ + die in Materie aufhören, haben nicht die gleiche Lebensdauer. Der μ + zwischen den Atomen deines Stöpsels (zB: Szintillator?) zur Ruhe kommen und zerfallen v μ e + v e mit der Standardlebensdauer von 2,2 usec. Allerdings ist die μ − in Bohr-Umlaufbahnen um die Stopper-Kerne gefangen werden. Der μ − geht dann durch Emittieren von Auger-Elektronen und Röntgenstrahlen auf eine Umlaufbahn von n = 1 L = 0 über. In dieser engsten Umlaufbahn gibt es eine Überlappung zwischen den μ − Wellenfunktion und der Kern, und daher eine gewisse Wechselwirkungsrate mit den Protonen und Neutronen. Also, die gesehene Zerfallsrate der μ − ist eine Summe aus der Kernwechselwirkungsrate und der natürlichen Zerfallsrate des Myons.

1 τ S e e N = 1 τ N u C l e A R + 1 τ N A T u R A l
Die Kernwechselwirkungsrate steigt mit dem Z des Kerns, da die Orbitalradien kleiner sind und es mehr Nukleonen gibt, wenn Z zunimmt. Die Lebenszeiten τ N u C l e A R ≈ τ N A T u R A l für Z ≈ 10 . Es gibt einen ausführlichen Überblick über all dies in Physics Reports 354 (2001) 243-409 . Tabelle 4.2 zeigt einige τ S e e N für μ − Stoppen in verschiedenen Elementen.

Zusammenfassend ist die Anzahl der Zerfälle im Zeitverlauf die Summe zweier Exponentiale. Eins für μ + mit einer Lebensdauer von 2,2 usec und einer für μ − mit einer geringeren Lebensdauer, die von den Elementen in Ihrem Stopfen abhängt. Das Verhältnis der Anzahl positiver Myonen zu negativen Myonen auf Meereshöhe in der kosmischen Strahlung beträgt etwa 1,2. Es ist vernünftig, dass Sie <2,2 usec für die Gesamtlebensdauer messen, aber für einen quantitativen Sinn müssen Sie zwei Exponentiale anpassen und verwenden τ N u C l e A R für Ihre Stopperelemente.

Ich weiß, dass Sie ausdrücklich nach nicht gerätebezogenen Antworten gefragt werden. Aber als ich aus der Experimentalphysik etwas gelernt habe, dann sollte man immer mit Gerätemängeln rechnen.

Ich könnte mir ein Szenario vorstellen, in dem die Ereignisse, bei denen Sie das Starten / Stoppen der Uhr auslösen, unterschiedliche Anstiegszeiten haben, je nachdem, wo sie im Szintillator stattfinden, wodurch ein Beobachtungsfehler entsteht.

Eine andere Sache, die Sie überprüfen könnten, ist, dass Ihre gemessenen Lebensdauern normalverteilt sind. Wenn dies nicht der Fall ist, können Sie an Dinge wie die Anwendung einer Leistungstransformation auf Ihre Daten denken.

Die Verwendung konstanter Bruchteil-Diskriminatoren wird die auf die Anstiegszeit bezogene Systematik dramatisch reduzieren. Natürlich sind sie teurer.
Bestimmung der Lebensdauer von Myonen
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