宇宙线_轻子寿命测量实验和电子学设计

粒子物理研究现状与发展趋势之概述岳崇兴;马璐【摘要】综述粒子物理标准模型的主要研究内容及优缺点,给出了高能对撞机实验的主要种类及重要的物理研究目标,并且简要地介绍了目前研究最多,且已取得丰硕成果的几种新物理理论.【期刊名称】《辽宁师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(039)003【总页数】5页(P327-331)【关键词】标准模型;高能对撞机;新物理理论【作者】岳崇兴;马璐【作者单位】辽宁师范大学物理与电子技术学院,辽宁大连 116029;辽宁师范大学物理与电子技术学院,辽宁大连 116029【正文语种】中文【中图分类】O572.2浩瀚的宇宙由微小的原子和其他物质粒子所组成，原子是由原子核和电子组成，原子核是由核子(质子和中子)组成，而核子则是由夸克和胶子组成.人们所认识的多彩物质世界归根结底就是各种基本粒子存在和相互作用的世界.粒子物理是研究场和基本粒子的性质、相互作用、相互转化规律的学科，是目前研究物质内部结构规律的前沿学科.如果从1897年电子的发现算起，已有百余年的发展历史.到现在为止，已取得丰硕的理论、实验成果，使人们更深刻地认识了自然界的奥秘.粒子物理的标准模型(SM)[1-3]成功的描述了强、弱和电磁三种基本相互作用，几乎所有的理论预言都得到高、低能实验，尤其高能对撞机实验的精确检验.大型强子对撞机(LHC)于2012年成功发现希格斯(Higgs)玻色子[4-5]，补齐了标准模型的粒子谱，这一切都表明标准模型是成功的规范对称理论.但是，该理论无论在理论还是实验方面都存在一些问题，如规范等级问题、中微子质量问题，等等.现在物理学家普遍认为：和经典物理理论一样，标准模型是在一定能量范围内成功的低能有效理论，在TeV能标附近应该有超出标准模型的新物理存在.对标准模型进行进一步精确检验和可能新物理理论的研究是当前和未来国际粒子物理学界的主要研究内容，也是理论物理的前沿热点问题之一.任何理论研究都离不开实验的推动和检验.高能对撞机是粒子物理学的主要实验工具，它在过去几十年中对粒子物理学的丰富和发展起到重要的推动作用.正在成功运行的LHC实验提供的大量实验数据可极大地推进人们对标准模型进行更精确的检验、排除新物理理论种类的过多性、发现新粒子，亦使粒子物理学进入快速发展、有可能出现重大突破的黄金时期.本文主要综述粒子物理标准模型的主要研究内容及优缺点；高能对撞机实验的主要种类及重要物理研究目标；目前存在的主要新物理理论简介.试图让读者对粒子物理的研究现状及未来发展趋势有所了解，借以推动我国粒子物理研究的发展.量子色动力学(QCD)和SU(2)L×U(1)Y电弱规范理论(GSW)组成了粒子物理学的标准模型[1-3].该理论是基于非阿贝尔规范对称群SU(3)×SU(2)L×U(1)Y 的相对论量子场理论，人们普遍认为它是目前最好的描述弱、电、强三种基本相互作用的理论.图1给出类似化学元素周期表的基本粒子表.此表所列基本粒子是标准模型预言的所有粒子，且被实验证实，其中包含夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子.夸克和轻子通过规范玻色子发生相互作用，组成复合粒子，进而构成宏观物质；标准模型认为基本粒子的质量由希格斯机制产生[6-9].希格斯粒子的发现意味着粒子物理标准模型的粒子谱补齐了，但是却并不意味着粒子物理研究的终结，实际上却开启了粒子物理研究的新纪元.在过去的半个世纪中，标准模型理论对“物质世界”的描述经历了众多低能和中、高能物理实验的精确检验，标准模型在理论和实验两个方面均取得了巨大成功.但是该理论除存在规范等级问题、自由参数过多等理论问题外，还不能解释许多自然现象，如：(1)暗物质(暗能量).标准模型仅能正确描述组成自然界的4%的物质，其余部分怎么描述还不得而知.(2)基本相互作用.标准模型成功地把弱、电、强三种基本相互作用统一的用一组规范群描述，但引力仍未包含.(3)物质与反物质.标准模型不能给自然界大量存在的反物质以合理解释，或者说不能解释味混合.(4)中微子质量.标准模型框架下，中微子无质量，但大气中微子、太阳中微子震荡实验数据表明，中微子有质量，且不同味之间混合(这是新物理存在的第一个实验证据).(5)CP破坏.CP破坏的物理机制和根源是什么？(6)希格斯粒子是目前已知的所有基本粒子质量的来源，但是标准模型却无法解释不同粒子质量有巨大差别的原因.在未来几十年，高、低能实验将提供大量实验数据，为粒子物理学家研究、解决这些基本问题奠定良好的实验基础.粒子物理学正在进入快速发展的黄金时期.物理学是一门以实验为基础的科学.按照粒子产生的方式粒子物理实验可以分为加速器物理实验和非加速器物理实验.目前的非加速器物理实验主要包括宇宙线实验、核反应堆实验等，主要研究中微子、暗物质等.中国大亚湾反应堆中微子实验是非加速器物理实验的典型代表，目前已取得骄人成绩.加速器物理实验可分为固定靶实验和对撞机实验.对撞机就是利用反向运行的粒子束对撞，来提高有效相互作用能量的高能物理实验设备.对撞机与固定靶实验相比，赢得了有效作用能量.在粒子物理最近几十年的发展中，高能对撞机已成为占主导地位的实验设备，今后它将对标准模型的更精确检验以及新物理的探测起到越来越重要的作用.目前正在运行和设计的高能对撞机主要分为以下几类：2.1 线性对撞机线性对撞机主要指正负电子对撞机.正负电子对撞机的特点是本底小，干净，数据分析方便，实验精度高.但由于电子质量小，其能够达到的能量受到限制.目前正在运行的正负电子对撞机主要有：中国的北京正负电子对撞机(BEPC、BESII和BESIII)，质心能量为3～5 GeV，主要研究粲夸克和τ轻子；美国的PEPII，质心能量为10～15 GeV，主要研究B介子、CP破坏；日本的KEKB正在进行升级改造，预计将在今年建成超级B介子工厂，质心能量为10～15 GeV，也是主要研究B介子、CP破坏，等等.正在设计、即将建造的正负电子对撞机主要包含：国际高能线性对撞机(ILC、CILC)，设计的质心能量为0.5～3 TeV；将来的环形正负电子对撞机(FCC-ee)，设计的质心能量为90～350 GeV；中国的超高能正负电子对撞机(CEPC)，设计的质心能量约为200 GeV.这些对撞机的主要物理目标为：对标准模型进行更高精度的检验；探测新物理的间接物理信号；对高能强子对撞机发现的新粒子、新现象进行精确确认和测量.2.2 强子对撞机强子对撞机主要指质子-反质子对撞机和质子-质子对撞机，相对于正负电子对撞机，它更易于达到更高质心能量，适合在更高能区测量粒子的性质、发现新粒子.质子-反质子对撞机的典型代表是已关闭的Tevatron (质心能量为2 TeV)，它最突出的成绩是发现了质量约为173 GeV的基本粒子——顶夸克；质子-质子对撞机现在指的是正在运行的大型强子对撞机(LHC)(质心能量可达14 TeV)，它是目前国际上正在运行的能量最高、规模最大的实验设备，计划于2022—2023年升级改造为高亮度LHC(HL-LHC).LHC的主体结构建造在欧洲核子中心(CERN)的地下50～150 m之间，周长为27 km的地下隧道内，主要包含五个大型探测器：CMS、ATLAS、LHCb、ALICE和TOTEM.LHC的主要物理目标有2个：① 寻找标准模型中非常重要的希格斯粒子(已于2012年被LHC发现)，为研究希格斯粒子和其他基本粒子的性质提供实验支撑; ②寻找超出标准模型的新物理理论预言的新粒子.2.3 轻子-强子对撞机电子-质子相互作用是目前人们探测物质结构卓有成效的方法之一.轻子-强子对撞机是使高能电子-质子对撞的实验，只有德国汉堡的 HERA属于此类对撞机，它于1992年开始运行，于2007年关闭.利用LHC提供的高能质子束，正在设计、即将建造的电子-质子对撞机被称为LHeC.LHeC的主要物理目标为：精确研究QCD的基本性质；准确确定质子的分布函数；为研究顶夸克物理、电弱物理、希格斯物理以及新物理理论提供辅助、甚至独特的帮助.目前存在的新物理理论有很多种，从其物理目标大致可分为两大类：一类是试图解决标准模型的基本理论问题(如规范等级问题等)，另一类试图解决标准模型的实验问题(如中微子质量问题等).产生合适中微子质量的新物理模型主要基于Seesaw机制、TeV标度圈机制以及弦理论等提出的.对此类新物理模型的研究是粒子物理的前沿热点课题，有许多专家学者正在进行此方面的研究.虽然标准模型是非常成功的低能有效粒子物理理论，但其存在本身难以克服的理论问题，其中规范等级问题是核心问题.为解决此问题，所提出的新物理理论主要包含以下几类：(1)超对称理论[10-11].在此类理论中，它保留基本希格斯场的特征，用希格斯玻色子对应的超对称伙伴的贡献来消除Higgs场自能的二次发散，从而克服了规范等级或不自然性的问题.有大批专家学者对此类理论进行了研究，取得丰硕成果，但是到目前为止LHC未发现超对称理论的任何物理迹象，给它所预言的新粒子质量很强的限制.(2)动力学对称破缺理论[12-13].该理论不引入基本希格斯标量场，引入一种新的强相互作用使新费米子凝聚来代替标准模型中的希格斯玻色子，使电弱对称性自发破缺到电磁对称性，从而解决了基本标量场产生的问题.该类理论除存在不易精确计算的理论问题外，还存在唯象问题，即理论预言与实验数据吻合的不是非常好.为解决这些问题，人们提出许多改进的具体模型，进行了大量唯象研究.当然，这些模型正确与否还有待于实验的检验.(3)小Higgs理论[14-17].在此类理论中，希格斯粒子为哥尔斯通玻色子，它与TeV标度的整体对称性破缺有关.该理论引入重的顶夸克伙伴消除希格斯场自能单圈二次发散，从而克服了规范等级问题.最小Higgs模型存在实验唯象问题，具有T宇称的小Higgs模型是非常有意义的一类新物理模型，它可产生丰富的物理信号等待LHC及未来的高能对撞机实验检验.(4)额外维理论[18-20].人们常习惯于在四维时空中讨论问题，但在高维时空(如五或六维时空)中讨论问题有时会更方便.额外维理论假设标准模型在四维时空中，传递引力基本相互作用的引力子在高维时空，没有基本Higgs标量场，电弱对称性自发破缺由边界条件诱发.该理论既解决了标准模型的理论问题，又包含了引力基本相互作用，是非常有意思的一类新物理理论，相关实验、理论问题正在研究中. 以上仅简要介绍了目前研究最多，且已取得丰硕成果的几种新物理理论.当然，还有许多新物理理论及思想(如Twin Higgs机制、复合Higgs等)需要人们尤其有志于粒子物理研究的年轻人去研究、探讨.粒子物理学是一门发展迅速的基础学科，致力于研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质和相互作用的规律.粒子物理研究以量子场论为依托，处理从几个MeV到TeV能区的极其广泛的物理现象.借助于极端高能的实验手段，高强度和高精度的实验装置，深入物质内部，探索物质的结构，寻找其最小组元及其相互作用规律；寻求物质、能量、时间、空间的深刻内涵.随着LHCII的成功运行和天体实验(中微子振荡实验、宇宙射线实验等)提供的实验数据量的增加，粒子物理的理论、实验研究已进入快速发展时期.相信在未来的几十年里，随着理论研究的深入，加速器、非加速器实验会对众多的新物理种类以裁定，从而加深人们对宇宙的组成(暗物质、暗能量)、质量的来源等基本问题的理解，进而可能改变人们的思维方式和生活方式.【相关文献】[1] GLASHOW S L. Partial symmetries of weak interactions[J].Nucl Phys，1961，22(4)：579-588.[2] WEINBERG S. A model of leptons[J].Phys Rev Lett，1967，19(21)：1264-1266.[3] GLASHOW S L，ILIOPOULOS J，MAIANI L. Weak interactions with lepton-hadron symmetry[J].Phys Rev，1970，D2(7)：1285-1292.[4] CHATRCHYAN S,KHACHATRYAN V，SIRUNYAN A M，et al. Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC[J]. Phys Lett，2012，B716(1)：30-61.[5] AAD G，ABAJYAN T，ABBOTT B，et al. Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC[J]. Phys Lett，2012，B716(1)：1-29.[6] HIGGS P W. Broken symmetries，massless particles and gauge fields[J]. Phys Lett，1964，12(2)：132-133.[7] HIGGS P W.Broken symmetries and the masses of gauge bosons[J]. Phys Rev Lett，1964，13(16)：508-509.[8] ENGLERT F，BROUT R. Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons[J].Phys Rev Lett，1964，13(9)：321-323.[9] GURALNIK G S，HAGEN C R，KIBBLE T W B. Global conservation laws and masslessparticles[J].Phys Rev Lett，1964，13(20)：585-587.[10] STRASSLER M J.An unorthodox introduction tosupersymmetricgaugetheory[G]∥GUBSER S S,LYKKEN J D.Strings, branes and extra dimensions,2011:78-87.[11] AITCHISON I J R.Supersymmetry and the MSSM:An ElementaryIntroduction[R].Oxford:Notes of Lectures for Graduate Students in Particle Physics,2004. [12] HILL C T，SIMMONS E H. Strong dynamics and electroweak symmetrybreaking[J].Phys Rept，2003,38(4/5/6):235-402.[13] HILL C T，SIMMONS E H. Erratum to “Strong dynamics and electroweak symmetry breaking”[J].Phys Rept，2004，390：553-554.[14] ARKANI-HAMED N，COHEN A G，GEORGI H. Electroweak symmetry breaking from dimensional deconstruction[J].Phys Lett，2001，B513(1/2)：232-240.[15] ARKANI-HAMED N，COHEN A G，KATZ E，et al.The littlest Higgs[J]. JHEP，2002，0207：034.[16] ARKANI-HAMED N，COHEN A G，KATZ E，et al. The minimal moose for a little Higgs[J]. JHEP，2002，0208：021.[17] CHENG H C，LOW I. TeV symmetry and the little hierarchy problem[J]. JHEP，2003，0309：051.[18] ARKANI-HAMED N，DIMOPOULOS S，DVALI G R. The Hierarchy problem and new dimensions at a millimeter[J].Phys Lett，1998，B429(3/4)：263-272.[19] HAN T，LYKKEN J D，ZHANG R J. On Kaluza-Klein states from large extra dimensions[J].Phys Rev，1999，D59(10)：105006.[20] GIUDICE G F，RATTAZZI R，WELLS J D. Quantum gravity and extra dimensions at high-energy colliders[J].Nucl Phys，1999，B544(1/2)：3-38.。

实验四宇宙线缪子飞行时间测量一、实验原理宇宙线缪子在穿过闪烁体时将沉积能量，从而产生信号。

缪子穿过两个相距一定距离的闪烁体产生的信号将会产生时间差，对这个时间差进行测量，再将两个闪烁体紧贴在一起，再次测量信号的时间差，将二者相减，就可以得到缪子飞过这段距离所用的飞行时间，进而得到缪子的速度。

二、实验内容及步骤1. 按图示中的A图搭建设备，两块闪烁体上下分开一米左右，测量A情况时间分布。

2. 按图示中的B图搭建设备，两块闪烁体紧贴在一起，测量B情况时间分布，估计两组探测器的固有时间差和时间分辨。

3. 测量闪烁体的三维尺寸，及A图中两块闪烁体的间距。

三、实验结果与思考1、当两个闪烁体紧贴在一起时：具体时间间隔记录如下：统计结果如下：统计直方图如下：2、当两个闪烁体相距1.11m时：具体时间间隔记录如下：统计结果如下：统计直方图如下：3、根据计算缪子射线的角度与其产生信号的时间差的关系大致为：t=(h/cosθ+h*tanθ)/v可得：cosθ=2*A*t/(A2*t2+1)(A=v/h)缪子的角分布为：I=I0*cos2θ故计数在不同时间差上的分布应该为：N=N0*(2*A*(t0-t)/(A2*(t-t0)2+1))2+N’用MATLAB中的cftool工具对两组数据进行拟合，可得：（1）当两个闪烁体紧贴在一起时：A=0.2087N0=5.083N’=1.551t0=1.152（2）当两个闪烁体相距1.11m时：A=1.986N0=3.832N’=2.41t0=1.229对于两组数据，θ=0，也就是计数最大点所对应的时间差分别为：t1=-1/0.2087+1.152=-3.640nst2=-1/1.986+1.229=0.725ns故缪子的飞行时间为：dt=t2-t1=0.725+3.640=4.365ns飞行速度为：dh/dt=1.11/(4.365*10-9)=2.54*108m/s可见缪子的飞行速度较为接近光速。

一、实验目的1. 了解光电导法测试少数载流子寿命的原理。

2. 熟练掌握LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法。

3. 测量非平衡载流子的寿命。

二、实验原理少子寿命是指半导体材料中少数载流子的平均生存时间。

在半导体器件中，少数载流子的寿命对器件的性能具有重要影响。

光电导衰减法是测量少数载流子寿命的一种常用方法。

其原理是在样品上施加一定频率的高频电场，使样品中的载流子产生振荡，从而产生光电导现象。

通过测量光电导衰减曲线，可以计算出少数载流子的寿命。

三、实验仪器与材料1. 仪器：LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪、样品测试夹具、示波器、信号发生器、频率计、稳压电源等。

2. 材料：样品（如硅单晶、锗单晶等）、光注入源、腐蚀液、钝化液等。

四、实验步骤1. 准备样品：将样品进行清洗、切割、抛光等处理，使其表面光滑、平整。

2. 设置实验参数：根据样品类型和测试要求，设置合适的测试频率、测试时间等参数。

3. 连接仪器：将样品夹具、信号发生器、示波器、频率计、稳压电源等仪器连接好，确保连接正确、牢固。

4. 光注入：使用光注入源对样品进行光注入，产生非平衡载流子。

5. 测量光电导衰减曲线：打开测试仪，记录光电导衰减曲线。

6. 数据处理：对光电导衰减曲线进行拟合，计算少数载流子的寿命。

五、实验结果与分析1. 光电导衰减曲线：实验测得的光电导衰减曲线如图1所示。

图1 光电导衰减曲线2. 少子寿命计算：根据光电导衰减曲线，拟合得到少数载流子的寿命为5.6×10^-6 s。

3. 影响因素分析：（1）样品材料：不同材料的样品，其少子寿命不同。

例如，硅单晶的少子寿命一般比锗单晶长。

（2）样品制备：样品的制备过程对少子寿命有较大影响。

如样品表面粗糙度、杂质浓度等都会影响少子寿命。

（3）光注入强度：光注入强度越大，产生的非平衡载流子越多，从而影响少子寿命。

（4）测试参数：测试频率、测试时间等参数对少子寿命的测量结果有一定影响。

天文科普之揭秘宇宙线，打开宇宙之门的金钥匙版权所有：中国科普博览/gb/special/20110830_yzx/jmyzx.ht ml#list1宇宙线是一种来自宇宙的高能粒子流，是联系宇观、微观世界和日地环境变化的天然的宝贵科学资源。

自1912年奥地利物理学家赫斯（Hess）乘坐热气球发现宇宙线以来，宇宙线研究已取得了很大成就，而我国创建的羊八井国际宇宙线观测站已成为世界一流宇宙线观测窗口。

时值第32次国际宇宙线学术大会之际，一场纪念宇宙线发现者HESS举办的公众报告，为国内的科学爱好者讲述宇宙线和高山观测，解开宇宙线的神秘面纱。

所谓宇宙射线，指的是来自于宇宙深处的高能粒子流，携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球的空间环境等科学信息，是一种宝贵的科学资源。

1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔升高而变大，从而认定这是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。

宇宙射线的发现奥地利物理学家赫斯(VictorFranzHess,1883-1964)（右图）是一位气球飞行的业余爱好者。

他设计了一套装置，将密闭的电离室吊在气球下。

他乘坐气球，将高压电离室带到高空，静电计的指示经过温度补偿直接进行记录。

他一共制作了十只侦察气球，每只都装载有2～3台能同时工作的电离室。

1911年，第一只气球升至1070米高，辐射与海平面差不多。

1912年，他乘坐的气球升空达5350米。

他发现离开地面700米时，电离度有些下降（地面放射性造成的背景减少所致），800米以上似乎略有增加，而后随着气球的上升，电离持续增加。

在1400米～2500米之间显然超过海平面的值。

在海拔5000米的高空，辐射强度竟为地面的9倍。

由于白天和夜间测量结果相同，因此赫斯断定这种射线不是来源于太阳的照射，而是宇宙空间。

赫斯认为应该提出一种新的假说：“这种迄今为止尚不为人知的东西主要在高空发现……它可能是来自太空的穿透辐射。

少子寿命测试实验报告一、实验目的和任务1、了解光电导法测试少数载流子寿命的原理，熟练掌握LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法；2、测非平衡载流子的寿命。

二、实验原理处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定的。

这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。

半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。

如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。

处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度不再是X和X，可以比它们多出一部分。

比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称过剩载流子。

寿命的全称是非平衡少数载流子寿命，它的含意是单晶在受到如光照或点触发的情况下会在表面及体内产生新的（非平衡）载流子，当外界作用撤消后，它们会通过单晶体内由重金属杂质和缺陷形成的复合中心逐渐消失，杂质、缺陷愈多非平衡载流子消失得愈快，在复合过程中少数载流子起主导和决定的作用。

这些非平衡少数载流子在单晶体内平均存在的时间就简称少子寿命。

通常寿命是用实验方法测量的。

各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。

最常用的注入方法是光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法很多。

不同的注入和检测方法的组合就形成了许多寿命测量方法。

三、实验设备本实验采用LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪。

该仪器灵敏度高，配备有红外光源，可测量包括集成电路级硅单晶在内的各种类型硅单晶及常用的晶体管级锗单晶。

该仪器根据国际通用方法—高频光电导衰退法的原理设计，由稳压电源、高频源、检波放大器、脉冲光源及样品电极共五部分组成，采用印刷电路和高频接插件连接。

整机结构紧凑，测量数据准确、可靠。

四、实验结论实验通过测电压间接的少子寿命指少子的平均生存时间，寿命标志少子浓度减少到原值的1/e所经历的时间，实验中便通过测量最高点电压减少到原值的1/e所经历的时间，与最高点多少无关；当样品含有重金属且存在缺陷时，会产生杂质能级，成为少子的复合中心，从而寿命降低。

宇宙线探测实验数据分析1陈松战chensz@中科院高能物理研究所9月10-14日“粒子物理数据分析基础和前沿研讨会”@IHEP内容一、宇宙线入门宇宙线基本知识宇宙线研究的物理问题 EAS 及其探测中国宇宙线实验发展历史小结二、EAS 阵列宇宙线数据分析基础实验数据的仿真模拟 实验数据的刻度 数据的重建 成分鉴别数据质量监测（月影与标准烛光Crab ）小结2三、天体源相关数据分析几个坐标系 背景估计 天图分析显著性估计伽马/质子鉴别品质因子 流强估计能谱拟合 小结四、几个物理分析实例GRB 的寻找 全天区扫描 扩展源分析 AGN 的监测宇宙线各向异性分析 日地空间磁场的测量 小结总结一、宇宙线入门3宇宙线基本知识宇宙线研究的物理问题EAS及其探测中国宇宙线实验发展历史1.1 宇宙线基本知识41912年﹐奥地利物理学家Hess乘坐气球五千米高空发现空气电离率升高，说明由地球外辐射（宇宙线）引起。

HESS result宇宙线的发现（1912）5宇宙线全粒子能谱宇宙线的能量从109到1021eV，跨越10多个量级，呈现一个简单的幂律形式，这表明其非热谱性质。

宇宙线：主要为核子，约87%质子，12%α粒子（氦核子），少量锂﹑铍﹑硼、碳﹑氮﹑氧等原子核﹐以及电子、γ射线和中微子。

气球和卫星实验EAS实验LHC6宇宙线能谱全粒子谱几个显著特征：4x1015eV ‘膝’4x1017eV ‘第二膝’1019eV ‘踝’1020 eV ‘GZK 截断’GZK膝踝1.2 宇宙线相关的物理问题7早期在基本粒子方面成果：正电子（1933）、µ子（1937）、π介子（1947）、K介子（1948）、Λ（1951）、Ξ重子（1952）和∑（1953）等。

现在研究内容转向天体物理，主要围绕三个基本问题：起源：宇宙线起源于何处？河内or河外？超新星？AGN？GRB？加速：宇宙线是如何被加速的？传播：星系间介质作用？星际磁场作用？与EBL，CMB作用？宇宙线的起源8宇宙线的起源是所有问题的核心，被称为“世纪之谜”。

第二章夸克与轻子Quarks and leptons2.1 粒子园The particle zoo学习目标Learning objectives：我们怎样发现新粒子？能否预言新粒子？什么是奇异粒子？大纲参考：3.1.1￣太空入侵者宇宙射线是由包括太阳在内的恒星发射而在宇宙空间传播的高能粒子。

如果宇宙射线粒子进入地球大气层，就会产生寿命短暂的新粒子和反粒子以及光子。

所以，就有“太空入侵者”这种戏称。

发现宇宙射线之初，大多数物理学家都认为这种射线不是来自太空，而是来自地球本身的放射性物质。

当时物理学家兼业余气球旅行者维克托·赫斯（Victor Hess）就发现，在5000m高空处宇宙射线的离子效应要比地面显著得多，从而证明这种理论无法成立。

经过进一步研究，表明大多数宇宙射线都是高速运动的质子或较小原子核。

这类粒子与大气中气体原子发生碰撞，产生粒子和反粒子簇射，数量之大在地面都能探测到。

通过云室和其他探测仪，人类发现了寿命短暂的新粒子与其反粒子。

μ介子（muon）或“重电子”（符号μ）。

这是一种带负电的粒子，静止质量是电子的200多倍。

π介子（pion）。

这可以是一种带正电的粒子（π＋）、带负电的粒子（π－）或中性不带电粒子（π0），静止质量大于μ介子但小于质子。

K介子（kaon）。

这可以是一种带正电的粒子（K＋）、带负电的粒子（K－）或中性不带电粒子（K0），静止质量大于π介子但小于质子。

科学探索How Science Works不同寻常的预言An unusual prediction在发现上述三种粒子之前，日本物理学家汤川秀树（Hideki Yukawa）就预言，核子间的强核力存在交换粒子。

他认为交换粒子的作用范围不超过10－15m，并推断其质量在电子与质子之间。

由于这种离子的质量介于电子与质子之间，所以汤川就将这种粒子称为“介子”（mesons）。

一年后，卡尔·安德森拍摄的云室照片显示一条异常轨迹可能就是这类粒子所产生。

别问啦～缪子实验的现状及发展前景在这呢展开全文|作者：唐健1李亮2袁野3,4,†(1 中山大学)(2 上海交通大学)(3 中国科学院高能物理研究所)(4 中国科学院大学)本文选自《物理》2021年第4期摘要寻找超出标准模型的新物理是当前粒子物理学最重要的任务之一。

缪子物理实验，包括带电轻子味道破坏，缪子反常磁矩和电偶极矩，缪子素到反缪子素转换等是高强度前沿新物理研究的热点领域。

文章介绍了国际上在这一领域开展实验的现状和展望，特别的，介绍了未来在中国开展相关实验的前景。

关键词缪子物理，带电轻子味道破坏，缪子反常磁矩，电偶极矩，缪子素01引言粒子物理标准模型理论认为物质世界由三代夸克、三代轻子和传递相互作用的玻色子组成。

标准模型自建立以来在描述强相互作用、电磁与弱相互作用现象方面经受住了全球粒子物理学家使用各种高精度实验测量发起的极限挑战，理论计算结果与实验观测结果几乎完美符合。

随着希格斯(Higgs)粒子在大型强子对撞机(LHC)上的发现[1]，标准模型预言的所有基本粒子都已在实验中观测到，这毫无疑问宣告了标准模型的巨大成功。

但是标准模型远远称不上完美，一些重大基础问题在标准模型的框架内难以解决或者给出解释，比如：规范等级问题(gauge hierarchy)，费米子味疑惑(flavor puzzle)，以及是否存在强、电磁与弱作用的大统一理论，等等。

尤其是标准模型的CP破坏机制不足以解释宇宙中正反物质不对称性，它也不能提供暗物质的候选粒子，不包括暗能量。

因此寻找超出标准模型的新物理，成为当前粒子物理学最前沿和最重要的课题之一。

粒子物理学在三个研究前沿开展着新物理的寻找工作：高能量前沿、高强度前沿和宇宙学前沿。

高能量前沿使用不断提高的质心系能量，通过观测极高能量下粒子相互作用的过程和产物，通过发现新的粒子和作用过程来寻找新物理的直接证据。

典型代表是LHC以及未来拟建设的环形正负电子对撞机(CEPC)和国际线性对撞机(ILC)等大型粒子对撞机上的实验；高强度前沿则在相对低的能量区间使用不断提高的束流强度，在极高强度下获得大统计量的数据样本，利用不断突破极限的精确测量去寻找新物理模型预言的稀有过程，通过高精度测量粒子和相互作用的基本物理参数对标准模型预期值进行验证，从而掲示在极高能标处的新物理规律。

宇宙还有240亿年的寿命
刘柳
【期刊名称】《今日科苑》
【年(卷),期】2005(000)001
【摘要】美国科学家根据哈勃望远镜的观察，计算了宇宙中的暗能量，得出了一个新结论——宇宙至少还能活240亿年，这比他们原先预计的要长。

【总页数】1页(P47)
【作者】刘柳
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】N4
【相关文献】
1.一种新的宇宙线μ子寿命测量实验电子学系统设计 [J], 霍文驹;梁昊
2.宇宙线μ轻子寿命测量实验和电子学设计 [J], 吕治严;李澄;吴雨生;邵明;孙勇杰
3.光子的寿命或比宇宙还长：下限为百亿亿年 [J], 中国科技网
4.宇宙线μ子寿命测量的简化方法 [J], 田怡;胡陆国;孙保华
5.人类影响宇宙寿命 [J],
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第30卷第1期核电子学与探测技术V ol.30 N o.12010年 1月Nuclear Electr onics &Detection T echnolo gyJan. 2010宇宙线轻子寿命测量实验和电子学设计吕治严,李澄,吴雨生,邵明,孙勇杰(中国科学技术大学近代物理系,安徽合肥230026摘要:采用可编程逻辑器件,设计了一种新的读出电子学和逻辑电路,仅使用一个闪烁探测器配合该读出电路,实现对宇宙线子寿命测量。

实验证明该读出方法不仅简便,而且有着很好的测量精度,可用于一些粒子寿命及时间测量的科学实验中。

关键词:可编程逻辑; 轻子;寿命测量中图分类号: O 572.32+3 文献标识码: A 文章编号: 0258 0934(201001 0096 04收稿日期:2008 10 22作者简介:吕治严(1984 ,男,安徽省旌德县人,硕士研究生,核与粒子物理专业。

子是大自然最基本的粒子之一。

1936年,S.H.Nedderm ey er 和C.D.Anderson 在宇宙线云室观测中最早探测到了子径迹。

1937年J.C.Street 和E.C.Stevenson 在宇宙线实验中观测到了子,并明确的指出了它的存在, F.Rasetti 等人于1941年首次测定了其寿命[1 3]。

子带有一个单位的基本电荷,其质量为105.658M eV/c 2,不参与强相互作用。

子作为一种比电子重的轻子,其自身具有很大的不稳定性,至今仍然是人们未能完全了解且有待研究的对象。

子寿命为2.197 10 6s 。

它的寿命测量具有重要的物理意义,例如标准模型中的费米耦合常数,便可以利用其寿命的精确值确定。

海平面上子通量的测定结果也是爱因斯坦相对论效应的有力证据。

在粒子物理实验中,对于平均寿命大于10 9s 的不稳定粒子,传统的衰变寿命测量方法是直接测量衰变事例的时间分布,计算出粒子的寿命。

实验上通常采用延迟符合法测量子平均衰变寿命。

μ子寿命测量实验孙腊珍;吴雨生;李澄【摘要】根据粒子的平均寿命测量原理,采用大面积塑料闪烁探测器和可编程逻辑器件设计了宇宙线μ子寿命测量的实验教学装置,使用该装置可实现对宇宙μ子寿命的直接测量. 通过该实验,可使学生对高能物理理论、高能粒子探测器、高能粒子探测技术和数据获取、处理有整体的理解和认识. 本文从实验教学内容和教学方法上对μ子寿命测量实验进行了探讨.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2010(030)002【总页数】4页(P1-3,19)【关键词】宇宙线μ子;寿命测量;高能粒子探测器【作者】孙腊珍;吴雨生;李澄【作者单位】中国科学技术大学,近代物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,近代物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,近代物理系,安徽,合肥,230026【正文语种】中文【中图分类】O572.3231 引言宇宙线中的μ子主要是由宇宙线中的π介子衰变(π-→μ-+¯νμ,π+→μ++νμ)产生的.大部分的μ子产生在约15 km的高空,由于μ子不参与强相互作用,因而具有较强的穿透力.海平面上μ子的通量近似为1～2 cm-2·min-1,平均能量约为4 GeV[1-2].μ子带有1个单位的电荷,其质量为105.658 M eV/c2,平均寿命约2.197μs[3].对μ子寿命进行测量具有重要的物理意义,例如:可以利用μ子寿命的精确值来确定粒子物理标准模型中的费米耦合常数 G F;在实验室对μ子的观测和寿命测量也是对狭义相对论的时间膨胀效应的有力验证.在高能粒子物理实验中,传统的粒子衰变寿命测量方法是直接测量衰变事例的时间分布,计算出粒子的寿命.实验上通常采用延迟符合法测量μ子平均衰变寿命,该方法至少需要2个探测器以及相关的逻辑电路和数据处理系统,这就使得实验装置复杂,并且仪器设备所需费用较高.中国科学技术大学近代物理系高能物理研究室的教师将科研成果经过精炼,核心提取,并采用大面积塑料闪烁探测器和可编程程序逻辑器件,自行设计了专门的电子学电路和探测系统,研制了既简便又大量减少仪器费用的μ子寿命测量装置,实现了对宇宙线μ子寿命直接测量[4],测量精度达到实验要求.2 实验原理宇宙线中的μ子通过塑料闪烁体时,主要的能量损失方式是电离能损,并伴随库仑散射.高能量μ子可直接从闪烁体中穿出,并在径迹周围产生电子及荧光光子等次级粒子;一些较低能量μ子在闪烁体中停止后,可以自由衰变,也可能与物质的原子核发生作用被俘获而消失.其发生衰变如下:衰变中产生的电子(e)继续与闪烁体发生作用损失能量,并使闪烁体分子激发,而电子反中微子(¯νe)和μ子中微子(νμ)直接穿出.塑料闪烁体中受激发的分子在极短的时间内(约10-10 s)退激发并发射荧光(荧光波长在350～500 nm之间),荧光通过光电倍增管光电转换放大而输出电信号,这个信号将作为μ子的“到达”信号.当停止在闪烁体内的μ子发生衰变,产生的电子被闪烁探测器探测,形成μ子“衰变”的信号.“到达”探测器的信号与μ子“衰变”的信号的时间间隔,即为μ子1次衰变的寿命.由于微观粒子的衰变具有一定的统计性,因此实验上是通过测量时间差的分布,进而计算得到μ子的平均寿命[5-6].宇宙线中μ子的通量很低,每次击中探测器的事例可以看成单μ子事例.设μ子的平均寿命为τ,第 i个μ子的产生时间为 ti,则相对公共的时间零点,μ子在时刻t衰变概率[3]为如果第i个μ子到达闪烁探测器的时刻为 Ti,那么时间间隔ΔT内,这个μ子衰变的概率是:式中 K=e-(Ti-ti)/τ.如果实验共测量到M个μ子衰变事例,则在时间差ΔT以内,衰变的总μ子数N为式中可见在ΔT时间内μ子衰变数随时间同样服从指数规律.实验上通过记录确定时间间隔内的μ子衰变事例数,利用指数函数拟合方法,可以求得μ子衰变的平均寿命τ.3 实验装置根据μ子寿命测量实验原理,自行设计制作了大面积闪烁探测器(探测面积450 cm2),如图1所示.实验使用的塑料闪烁体的发光衰减时间约为3 ns,与微秒量级的μ子衰变时间相比很小,可以保证时间差测量的相对准确性.图1 实验装置系统框图整个实验测量装置由塑料闪烁探测器[6]、高压电源、数据获取系统以及计算机和分析软件4部分组成.宇宙线中μ子入射到塑料闪烁体,经光电倍增管、放大器、甄别器、可编程逻辑电路(FPGA),最后通过USB接口把数据输入计算机处理.图2是测量装置的照片.2套测量装置共用1个闪烁体和高压电源.图2 μ子寿命测量装置4 实验内容首先将高压电源线(红色)与探测器连接,探测器信号线(黑色)与信号处理仪器测量面板上的信号输入端连接,USB接口线与计算机相应接口连接.将各部件电源线接好,检查无误后,打开高压电源和信号处理仪器电源,并将探测器工作高压设置为-600 V,记录电压及电流值.1)用示波器观测放大器输出信号,并记录放大信号特征(幅度、上升时间,噪声信号);观测甄别器输出信号,记录甄别器输出信号特征(信号宽度、频率).2)调节仪器面板上的电阻以选择合适的阈电压,使得去除放大器输出信号中包含的噪声信号.其方法是将阈电压从0.01～0.5 V连续变化,取10个测量点,作μ子计数-阈电压曲线,并得出合适的阈电压值.3)打开计算机,执行数据获取软件:m uon.tcl,获取μ子的衰变信号,要求累积数据时间足够长(实验安排测量 3～4 h),存储数据文件(自备U盘拷贝数据文件).学生完成实验后,要求利用O rigin软件处理数据,计算μ子的平均寿命,打印出实验曲线和实验结果,如图3所示.可选取感兴趣的相关问题进行探讨:a.在地面参考系观测,运动的μ子(速率为0.998c)到达地面的平均寿命是多少?与实验测量的结果是否矛盾?b.该实验是如何保证测量的2个信号恰是同一μ子的到达与衰变信号?c.解释实验测量的μ子衰变寿命曲线具有一定分布的物理原因.图3 衰变事例-时间关系曲线d.比较所测数据与 100 h数据结果(由实验室提供)的差别.实验测量误差可能有哪些来源,如何减少这些误差?e.1948年,我国科学家张文裕发现负μ子可以取代电子被原子核捕获形成μ原子,分析μ氢原子与氢原子在原子半径、结合能方面的差异.设想是否可以用μ氘原子实现聚变反应?对问题b的探讨:学生可以利用 GEAN T4软件[4]对入射μ子在探测器中的衰变概率进行模拟.估计测量事例率,分析偶然事例对实验的影响.μ子的测量实验中,对每个事例设置20μs的测量时间窗,只取到达信号与衰变信号时间间隔小于这个窗的事例.对实验进行模拟,宇宙射线的μ子在晶体中衰变比率约2×10-3,而μ子的事例率约为10 Hz,μ子的衰变计数率在每分钟几个左右.伪事例的概率,即20μs内连续有2个无时间关联的μ信号的概率约10-4量级,所以可以认为,经可编程逻辑判选后,所测量输出的数据几乎都是μ子沉积在闪烁体内并且发生衰变的事例.对问题d的探讨:学生可获取不同时期(例如:10 h,1 d,7 d等)的多组数据,用适当的统计方法处理实验数据,并对结果进行统计置信度分析,使学生认识数据的随机性和统计性.学生通过查阅参考书、计算机模拟或实验和数据分析,对感兴趣的问题进行探讨,可进一步理解μ子寿命测量的实验原理,加深对爱因斯坦相对论中时间膨胀效应的理解.同时给出实验条件,写出实验报告.图3给出的是累积收集了18 296个衰变事例的实验结果.由测量数据拟合得到的实验值为τ=(2 124.6±9.6)ns,与文献[2]中给出的μ子静止平均寿命参考值(2 197.03±0.04)ns相近.由于测量时间所限,事例率及事例总样本数偏低,精度略显不足.5 结束语自行研制的μ子寿命测量实验装置相对比较精简,是一个较典型的基本粒子探测实验,测量方法新颖可靠,同时利用宇宙线开设高能粒子物理实验,既节省了经费,又解决了使用放射源开设核物理实验的辐射防护问题.学生通过此实验,加深了对高能粒子物理理论理解,并对高能粒子探测器、宇宙线的探测方法、相关电子学和数据获取与处理等方面有比较系统的了解.参考文献:【相关文献】[1] Coan T E,Ye J.M uon physics user manual[Z].v050201.0.[2] Particle Data Group.Cosmic ray muon detection[Z].Review of Particle Physics,Regentsof the U-niversity of Califo rnia.2006.[3] Lundy R A.Precision measurement of theμ+lifetime[J].Phys.Rev.,1962,125:1 686-1 696.[4] 吴雨生.宇宙线muon寿命测量实验的Geant4模拟[D].合肥:中国科学技术大学,2008.[5] 谢一冈,陈昌,王曼,等.粒子探测器与数据获取[M].北京:科学出版社,2003:171-220.[6] 汪晓莲,李澄,邵明,等.粒子探测技术[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2009:232-274.[7] 林延畅,陈少敏,高原宁,等.μ子寿命测量与高能物理实验创造性人才的培养[J].实验技术与管理2008,25(9):19.。

实验三宇宙线缪⼦寿命测量实验三宇宙线缪⼦寿命测量⼀、实验原理由于缪⼦的衰变时间服从指数分布，所以使⽤⽰波器测量缪⼦触发信号和延迟信号之间的时间差，将测得的时间差做出统计直⽅图，⽤最⼩⼆乘法做指数拟合，就可以测出缪⼦的寿命。

在本次实验中，缪⼦进⼊闪烁体后产⽣触发信号，⽽其衰变产⽣的电⼦或正电⼦将产⽣延迟信号，这两类信号将通过PMT输⼊⽰波器中。

这样，我们便可以测量这触发信号和延迟信号的时间差，进⽽通过绘制统计直⽅图并进⾏指数拟合的⽅式得到缪⼦的寿命。

⼆、实验内容及步骤1. 检查已连接好的设备，利⽤⽰波器观察采集5分钟信号，总时间宽度为30s，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50-60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、实验结果具体时间间隔记录如下统计结果如下：统计直⽅图如下：使⽤MATLAB中的Curve Fitting Tool进⾏拟合，结果如下：General model: f(x) = a*exp(-b*x)+cCoefficients (with 95% confidence bounds):a = 12.54 (10.09, 15)b = 0.4673 (0.3316, 0.6031)c = 1.126e-08 (fixed at bound)Goodness of fit:SSE: 3.572R-square: 0.9381Adjusted R-square: 0.9278RMSE: 0.7715可得缪⼦寿命τ=1/b=1/0.4673=2.14µs，与缪⼦的静⽌寿命较为接近。

四、实验思考1. 如何初始检查信号的质量？将PMT输出的信号直接输⼊⽰波器中进⾏观察。

2. 如何利⽤最⼩⼆乘法去寻找参数的最优值？可以对计数取对数，然后利⽤最⼩⼆乘法进⾏直线拟合，就可以⽐较简单地得到最优的参数。

实验二光电导衰退测量少数载流子的寿命实验项目性质：综合实验所涉及课程：半导体物理、半导体材料计划学时：2学时一、实验目的1．理解非平衡载流子的注入与复合过程；2．了解非平衡载流子寿命的测量方法；2．学会光电导衰退测量少子寿命的实验方法。

二、实验原理半导体中少数载流子的寿命对双极型器件的电流增益、正向压降和开关速度等起着决定性作用。

半导体太阳能电池的换能效率、半导体探测器的探测率和发光二极管的发光效率也和载流子的寿命有关。

因此，半导体中少数载流子寿命的测量一直受到广泛的重视。

处于热平衡状态的半导体，在一定的温度下，载流子浓度是一定的，但这种热平衡状态是相对的，有条件的。

如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。

处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是n0和p0，可以比它们多出一部分。

比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称为过剩载流子。

要破坏半导体的平衡态，对它施加的外部作用可以是光，也可以是电或是其它的能量传递方式。

常用到的方式是电注入，最典型的例子就是PN结。

用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法，称为非平衡载流子的光注入，光注入时，非平衡载流子浓度Δn=Δp。

当外部的光注入撤除以后，注入的非平衡载流子并不能一直存在下去，它们要逐渐消失，也是原来激发到导带的电子又回到价带，电了和空穴又成对的消失了。

最后，载流子浓度恢复到平衡时的值，半导体又回到平衡态，过剩载流子逐渐消失，这一过程称为非平衡载流子的复合。

实验表明，光照停止后，Δp随时间按指数规律减少。

这说明非平衡载流子不是立刻全部消失，而是有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时间，有的长些，有的短些。

非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，用τ表示。

由于相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的影响处于主导的、决定的地位，因而非平衡载流子的寿命通常称为少数载流子寿命。

物理学中的高能物理实验研究高能物理实验研究是物理学的重要分支之一，涉及到极小尺度世界的研究和探索。

在高能物理实验研究中，需要利用各种高能粒子加速器和探测器，通过实验获取关于物质结构，以及基本粒子、场的物理性质等方面的信息。

本文将对高能物理实验研究的意义、实验方法和技术、以及研究领域等方面进行阐述。

一、高能物理实验研究的意义高能物理实验研究对于人们深入了解宇宙结构和物质本质非常重要。

它涉及到基本粒子的探索，包括从质子、中子这些家喻户晓的粒子，到更微小的粒子（例如夸克、轻子、重子等），以及相对论和量子力学的应用等多个方面。

通过高能物理实验研究，我们可以认识到目前已知的万物间基本不可分割的结构成分，并且也可以运用高能物理的研究成果来解释宇宙大爆炸的由来和进化过程，从而获得了丰硕的科学成果。

二、高能物理实验研究的方法和技术高能粒子加速器是实现高能物理实验的重要设备，它可以将粒子加速后使其能量达到极高的水平，与靶物质进行高能碰撞从而产生高能次级粒子，并由探测器将产生的粒子进行拍摄，以获得它们的能量、动量、轨迹等等关键信息来研究粒子物理性质。

高能探测器是比加速器更加重要的实验装置，由于粒子的穿透力很强，而且它是以极高的速度运动着，高能物理探测器必须在空间小、性能稳定、抗辐射和精度高等多方面具备极强的能力。

探测器的设计及生产需要多专业、多学科的紧密协作。

探测器种类繁多，包括粒子追踪探测器、电离探测器、荧光探测器、场探测器、超导磁体、电视显示器等等。

实验设计和探测器制造技术的不断发展推动了高能物理实验的进展。

三、高能物理实验研究的领域高能物理实验研究涵盖了很多领域，现在已经成为了整个物理学及其他相关领域的必要组成部分。

现代的高能物理实验主要在以下几个领域中进行：（1）基本粒子物理学基本粒子是构成整个宇宙的基本组成部分，从物理学的角度，我们更为精确的称之为基本粒子模型。

高能物理实验研究主要是在零距离、自由探测、高灵敏度的条件下研究各种基本粒子的特性和相互作用规律、研究各种基本粒子的寿命、衰变规律等等，这对于人类认识宇宙提供了很多重要的信息。

实验二宇宙线粒子计数测量一、实验原理在本次实验中，两个PMT连接着同一块闪烁体，它们所输出的信号将分别经过两个甄别器的甄别，随后再进入符合电路。

如果宇宙线粒子在闪烁体中沉积能量，那么两个PMT 将会同时输出信号，如果两个信号的幅度均大于甄别器的阈值，那么两个甄别器将会同时输出脉冲信号，这将使得符合电路输出一个脉冲信号。

如果将甄别器输出的信号直接接入计数器，就可以得到闪烁体单端读出计数。

如果将符合电路输出的信号接入计数器，就可以得到闪烁体双端符合计数。

利用闪烁体的单端读出计数和双端符合计数，就可以计算出偶然计数率和宇宙线粒子计数率。

二、实验内容及步骤1. 巩固对基本实验设备（PMT、闪烁体、示波器等）使用的学习，搭建实验设备。

2. 学习使用甄别器。

3. 利用调节甄别器阈值和PMT电压压低afterpulse。

4. 闪烁体单端读出计数。

5. 学习使用逻辑符合模块。

6. 闪烁体双端符合计数。

7. 理解并计算偶然计数率，宇宙线粒子计数率。

三、实验结果与思考1. 如何调整甄别器的阈值？甄别器的阈值可以通过调节相应的旋钮来进行调整。

2. 如何使用示波器进行计数？本实验中使用了计数器而非示波器来进行计数，如果要用示波器进行计数，需要调节示波器，使其显示总计数，再用秒表测量计数时间。

3. 为什么调节甄别器阈值和PMT 电压可以压低afterpulse？afterpulse信号相比于真实信号幅度较小，故如果调高甄别器的阈值，就可以减少过阈的afterpulse信号的数量，而如果调低PMT电压，则会使信号的幅度减小，同样能够减少过阈的afterpulse信号的数量。

4. 比较单端的计数率和双端符合的计数率。

单端计数率分别为n1=754.5min-1，n2=6637.8min-1；双端符合计数率为n c=660.6 min-1；其中n1和n c较为接近，而n2则远大于n1和n c，这是因为n2所对应的PMT的噪声特别大，导致其输出了很多幅度较大的噪声信号，使得n2中混入了很多的噪声计数。

少子寿命测量一、实验目的1.理解少子寿命测量仪的工作原理及掌握其使用方法；2.掌握少子寿命测量的原理和方法；二、实验原理1.额外载流子密度随时间的衰减规律一束光在一块n 型半导体内均匀产生额外载流子∆n 和∆p 。

在t ＝0时刻，光照突然停止。

考虑∆p （额外少数载流子）随时间衰减的过程,假设复合几率P 为一常数（小注入条件下满足）。

分析：1）单位时间内额外载流子密度的减少应等于复合率,即:()()d p t P p t dt∆=-∆... (1-1) 2）设复合几率P 是与∆p (t)无关的恒量，则此方程的通解为:12()Pt p t C e C -∆=+… (1-2)3）按初始条件∆p(0)＝∆p ，于是得衰减式:()Pt p t pe -∆=∆… (1-3)4)计算全部额外载流子的平均生存时间(P107)，即寿命:0()1()td p t t Pd p t τ∞∞∆===∆⎰⎰… (1-4) 2. 分析额外载流子密度随时间的衰减规律1）绘出∆p （t ）曲线，如下：2）分析可得：∆p(t+τ) = ∆p(t)/e ，这表明了：寿命τ即为额外载流子浓度减小到原值的1/e 所经历的时间。

3. 用光电导衰退法（PCD 法）测量寿命的原理（原理图见课本图3-3）这种衰减可通过硅单晶光电导电压的变化（示波器上）反应出来，我们给硅单晶施加一个脉冲光照，产生△V （光电导电压），当光很快熄灭后，光电导电压△V 会以指数方式衰减，即：△V=△Vo F teτ-…(1-5) 我们定义光电导衰退时间常数F τ为实验观察到的表观寿命。

三、实验方法 1.分别接好示波器及少子寿命测试仪的电源线，联接寿命仪至示波器第2通道间的信号线。

在寿命仪高频电极上各点上一小滴自来水，将测试样块放在两个电极上。

2.打开示波器电源开关，稍后示波屏上会出现一条亮线，示波器面板上的开关、旋钮较多，首先要学会设置示波器、同步调节、扫描速度、Y 轴增盖等开关。