威海暑期学校(WHEPS2016)结业报告基于RPC的muon子-Indico.PDF

威海暑期学校(WHEPS2016)结业报告 基于RPC 的muon 子成像系统的原理及模拟 学生：刘冰 上海交通大学 导师：杨海军 专业：粒子物理实验 Email ：liubinglove7@ 一、 前言 今年 8 月份参加威海暑期学校 （WHEPS2016 ）是暑假最有意义的活动。在本次暑期学 校期间对粒子物理实验，理论方面都有了更深的理解，因此结合本次暑期学校学到的关于 RPC 的相关知识并结合以前略有涉猎的 muon 子成像系统的研究，在计算机上做了一些小 的模拟，得到了一些粗糙的结果，从而撰写成该结业报告。 二、 课题研究的背景以及意义 核检测技术的研究是一个非常有意义的课题。一般意义上的核材料通常指含有发生裂 变反应的铀、钚、钍等具有高原子序数元素的物质，这些物质都具有放射性，这些高原子 序数也就是高 Z 的材料又可称为重核材料。以下简称重核物质。重核物质的衰变主要有 3 种方式，α （即氦核）衰变、β （即电子）衰变以及γ衰变。重核物质产生的 α射线和 β 射线的穿透能力较弱，很难穿过放射性材料外面的屏蔽体并且自吸收的能力很强，因此一 般不通过检测 α射线和 β射线来检测核物质，而是通过检测 γ射线以及中子来探测核放射 性材料。 现有的放射性物质的检测系统一般是采用由大面积灵敏程度很高的的塑料闪烁体和噪 声很低的光电倍增管组成的γ射线探测器和由优化慢化体结构的 3He 正比中子管组成的中 [1] 子探测器相结合的方式 。用上面的检测方法能检测到海关集装箱等物体中藏匿的放射性 核材料。但是，如果这些放射性材料被常见的一些高原子序数的材料例如最常见的铅、高 分子的聚合物如聚乙烯或者其他种类对中子吸收强烈的材料（比如含锂，硼的化合物）屏 蔽，这样的话，上面使用的检测方法就将无法起到好的检测效果。 利用来自外太空的免费 的高能宇宙线 muon 子对放射性物质（高 Z 材料）进行成像的技术，是科研领域新兴的一 种放射性物质检测技术。它利用高能的宇宙线 muon 子穿透力极强的特点，（据估算，高能 宇宙线 muon 子能够穿透几百米厚的山体），在穿过重核物质材料时，受多次库仑散射，利 用阻性板气体室探测器可以得到 muon 子穿过物体的散射角分布，从而鉴别放射性材料和 普通材料的区别。 三、muon 的性质及其来源 muon 子最早由卡尔·安德森和赛斯·内德梅耶于 1936 年发现。他们在研究宇宙射线在 电磁场中的运动时，发现了一种弯曲程度不同于电子和其他已知粒子的径迹。根据在磁场中 的偏转方向能够判断这种粒子带有带负电，对于同样的速度，这种粒子的偏转半径比电子的 大得多，同时又比质子的小的多。他们假定这种粒子带有与电子相同的电荷量，由此他们计 算出这种粒子的质量介于电子和质子之间，大约是电子的 200 倍，据此他们将这种粒子命名 为“Mesotron”，意为“中间的粒子”。 muon 子属于第二代轻子，是费米子，带一个单位的负电荷，自旋为 1/2，在标准模型 中的位置如下图。 图 1 标准模型中的粒子 muon 子的静止质量为 105.7MeV，大约是电子质量的 200 多倍。因为 muon 子与电子的 性质比较相似，因此在有些情况下可以将 muon 子看成很重的电子，因此 muon 子比相同能 量的电子可以穿透更厚的掩体，比如来自宇宙空间的 muon 子可以在穿透数百千米后的地球 大气层然后再穿透几百米后的山体。 地球上已知的大部分 muon 子来源是宇宙射线。在最初到达地球大气层上界的宇宙初级 射线中大约有 90%是质子以及其他一些粒子，这些射线中高能的质子与大气层中的气体原子 碰撞后会产生寿命很短 π 介子、K 介子等介子(见图5)。 这些介子很快就会衰变成为其他次级粒子，带电的 π 介子在米量级的距离内就会衰变 成为 muon 子和中微子。不带电的π 介子很快衰变为 γ光子，γ光子在到达地球表面之前会 衰变为正负电子对。这些反应过程如下：