[论文解读] The Physics Behind the CosmicWatch Desktop Muon Detectors

Spencer Axani|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 40被引用 4

一句话总结

本文详细阐述了CosmicWatch桌面μ子探测器的物理原理，这是一种低功耗、便携式的本科研究工具，用于测量宇宙射线μ子和放射性衰变。它展示了探测器如何实现对μ子计数率随海拔和纬度变化的测量，验证了放射性衰变中的泊松统计特性，并利用SiPM和闪烁体技术实现基于宇宙射线的真正随机数生成器。

ABSTRACT

The CosmicWatch Desktop Muon Detector is a Massachusetts Institute of Technology (MIT) and Polish National Centre for Nuclear Research (NCBJ) based undergraduate-level physics project that incorporates various aspects of electronics-shop technical development. The detector was designed to be low-power and extremely portable, which opens up a wide range of physics for students to explore. This document describes the physics behind the Desktop Muon Detectors and explores possible measurements that can be made with the detectors. In particular, we explore various physical phenomena associated with the geomagnetic field, atmospheric conditions, cosmic ray shower composition, attenuation of particles in matter, radioactivity, and statistical properties of Poisson processes.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、便携式且低功耗的桌面μ子探测器，用于本科和高中物理教育。
• 研究影响宇宙射线μ子探测的物理现象，包括地磁场效应、大气衰减和粒子相互作用。
• 展示可测量的物理现象，如μ子计数率随海拔和纬度的变化，以及放射性衰变的泊松特性。
• 实现并验证一种基于宇宙射线μ子到达时间作为随机源的真正随机数生成器。
• 为在不同实验环境中构建、操作和分析探测器数据提供全面的教育资源。

提出的方法

• 利用硅光电倍增管（SiPM）和塑料闪烁体探测宇宙射线μ子及背景放射性产生的电离辐射。
• 使用微控制器（Arduino）记录触发时间与时间戳，实现时间分辨的数据采集和符合检测。
• 应用Heitler模型描述大气中的电磁簇射，并估算不同海拔下的μ子通量。
• 使用与1 kHz时钟同步的触发翻转电路，将随机触发时间戳转换为二进制数字（0和1），用于随机数生成。
• 应用泊松分布对时间间隔内μ子事件和放射性衰变事件的统计行为进行建模。
• 在主模式和符合模式下分析数据，以测量角度分布、计数率变化和背景抑制效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在33,000英尺的商业航班和107,000英尺的高空气球飞行中测量的宇宙射线μ子计数率如何随海拔变化？
• RQ2 地磁场在不同纬度对宇宙射线μ子的方向分布和计数率分布的影响程度如何？
• RQ3 宇宙射线μ子的随机到达时间是否可用于生成统计上有效的真正随机数序列？
• RQ4 每时间窗内μ子计数的观测分布与理论泊松分布的吻合程度如何？
• RQ5 大气压对测量μ子计数率有何影响？该相关性是否可从飞行数据中定量提取？

主要发现

• 从海平面到33,000英尺海拔，宇宙射线μ子计数率降低了约2.5倍，与大气衰减模型一致。
• 在107,000英尺高空，μ子计数率约为海平面的10倍，证实了μ子通量对大气覆盖层的强烈依赖性。
• 每时间窗内μ子计数的分布与泊松分布高度吻合，卡方检验的自由度校正p值表明与统计预期一致。
• 基于宇宙射线μ子时间戳的随机数生成器生成了0–255范围内均匀分布的数值，卡方检验的p值支持均匀性的原假设。
• μ子计数率显示出与大气压的显著负相关性，飞行数据中观测到的皮尔逊相关系数约为-0.35。
• 两个探测器之间的符合测量结果证实了μ子事件在方向和时间上的相关性，随着立体角增大，符合率也随之提高。