重走宇宙线发现之旅ￜ水桶中的宇宙线

Question

如题所述

Answer 1

在科学探索的奇妙之旅中，我们追寻着宇宙线的踪迹，揭开它们神秘的面纱。宇宙线，这些来自遥远星系的高速粒子，以其独特的次级粒子产生和μ子的作用，吸引着科学家们的目光。徐吉磊、刘金艳和高崴三位专家深入浅出地讲解了这一领域的基础，揭示了塑料闪烁体、液体闪烁体探测器以及水切伦科夫探测器的奥秘。

1934年，切伦科夫的洞察力首次揭示了超光速粒子在介质中产生的蓝色光——切伦科夫辐射，这一现象为1958年诺贝尔物理学奖的诞生奠定了基础。在高能物理实验中，水切伦科夫探测器便是这一现象的杰出应用，它巧妙地屏蔽背景辐射，捕捉到那些穿越太空的宇宙线信号。

国际上，大亚湾、LHAASO和KM3NeT等实验项目，借助深水或冰层作为探测介质，致力于中微子的研究。南极冰立方和日本超级神冈实验则利用水切伦科夫效应，进一步探索宇宙线的奥秘。

在实验的舞台上，一张简单的蓝图逐渐变为现实。通过自来水、水桶、光电倍增管和示波器，学生们亲手搭建起简易的宇宙线探测器。透明的塑料管监测水位，确保实验在黑暗中进行，而PMT的光电效应则捕捉到切伦科夫光的每一个细节。当光速的粒子穿透水层，PMT的信号就像脉冲般跃动，记录下宇宙线的来访。

图9展示了两个PMT如何协同工作，滤去噪声，捕捉到宇宙线的真实信号。随着水位的变化，从空桶到满桶，波形的变化揭示了光电子数量的增加。定量分析，如幅度谱和光电子谱的绘制，让数据说话，揭示出水深对信号影响的规律。

在37厘米深的实验中，每秒大约能收集到70个光电子，这验证了实验装置的效能。通过选择20毫伏的阈值，我们发现37厘米水深下探测到的宇宙线事例率为约25赫兹，这预示着在满桶状态下，1平方米的探测器每秒能接收到150个μ子。这样的实验不仅是为了观察宇宙线，更是锻炼数据分析能力的绝佳实践。

这个低成本、适合中学生的实验项目，不仅涵盖了切伦科夫辐射的原理、光电效应的深入理解，还让学习者亲身体验科学发现的过程。《现代物理知识》微信公众号mpihep将持续分享更多此类引人入胜的内容，期待更多探索者加入这场宇宙线的发现之旅。