Порядок виконання роботи. Принципова схема експериментальної установки показана на рис

Принципова схема експериментальної установки показана на рис. 2. У даній роботі вивчаються вторинні космічні промені, їх склад й кутовий розподіл твердої компоненти.

Рис. 2. Принципова схема експериментальної установки. 1- телескоп; 2- лічильник.

Робота виконується за допомогою «телескопа», який складається із двох детекторів, включених на збіги (див. блок-схему на рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема лабораторної установки для вивчення космічних променів

Космічні частки реєструються детекторами 1 і 2. Якщо частинка пройде через обидва детектори (частинка а), то схема збігів 3 виробляє імпульс. Якщо частинка проходить через один з детекторів і не попадає в інший детектор (частинка б), тоді схема збігів імпульс не виробляє. Таким чином, число імпульсів, полічених перерахунковим приладом 4, буде дорівнює числу частинок, що пройшли через обидва детектори й зареєстрованих ними.

1. Вивчення складу космічних променів. У цій частині роботи треба показати, що спостережувані на рівні моря космічні промені складаються із двох різко відмінних за своїми властивостями компонентів — м'якої й твердої — і знайти відношення iнтенсивностей обох компонентів.

У відсутності поглинаючих фільтрів між детекторами установка буде реєструвати частинки як твердої, так і м'якої компонент космічного випромінювання. Якщо ж між детекторами поміщати поглиначі (наприклад, свинець), тоді частинки м'якої компоненти будуть поглинатися в поглиначі. Це приведе до помітного зменшення швидкості рахунку збігів. Починаючи з деякої товщини поглинача зниження швидкості рахунку в міру збільшення товщини поглинача стає непомітним. Це відповідає реєстрації тільки твердого компонента космічних променів. Залежність швидкості рахунку N від товщини поглинача х називається кривою поглинання (рис. 4).

Рис. 4. Крива поглинання космічних променів фільтром

По кривій поглинання визначаються інтенсивності м'якої I _м та твердої I _ж компонент. Для цього прямолінійну частину, відповідну до твердого компонента, подовжують до перетинання з віссю ординат. Це дає величину I _ж (рис. 4). Частина, що залишився, відповідає I _м. Для більш точного визначення I _ж і I _м необхідно віднімати із загального числа збігів число випадкових збігів.

2. Вивчення кутового розподілу твердої компоненти космічних променів і визначення часу життя мюона. У цій частині роботи можна скористатися установкою, використаною в першій частині з тим доповненням, що телескоп детекторів можна повертати навколо горизонтальної осі на заданий кут стосовно вертикалі. Для вивчення твердого компонента космічних променів між детекторами слід помістити свинцевий фільтр товщиною не менш 10см. При розташуванні установки усередині будинку роль фільтра відіграють бетонні перекриття, і свинцевий фільтр не потрібний.

За допомогою установки знайти кутову залежність інтенсивності твердої компоненти космічних променів, тобто залежність рахунку збігів N від зенітного кута θ(у тому числі для θ=0°). Вимір рахунку збігів треба робити з як можна більшою статистичною точністю. Довжину распадного пробігу й час життя мюона визначити одним зі способів, зазначених в пункті 3.

У звіті представити блок-схему установки з описом дослідів, таблиці вимірів і графіки, значення iнтенсивностей твердої й м'якої компонент космічних променів, значення енергії мюонів, використане в розрахунках, значення довжини пробiгу розпаду, обчислений час життя мюона.

Звичайно із загального числа збігів необхідно віднімати число випадкових збігів. Число випадкових збігів визначається за формулою

де - роздільний час схеми збігів; N ₁ та N ₂ - число імпульсів, полічених окремо першим і другим детекторами (каналами).

У результати вимірів під кутами θ> 50° необхідно внести виправлення за рахунок злив N _л зі стін і стелі приміщення. У якості числа таких злив беруть число збігів при куті 90° (за винятком випадкових збігів). Результати вимірів записують у таблицю:

Для оцінки часу життя мюона треба побудувати графік функції

залежно від кута θі порівняти його із графіком функції (cosθ)^1,6, що характеризує зменшення інтенсивності жорсткого компонента космічних променів лише за рахунок іонізаційних втрат. По величині N (θ)/ N (0⁰), узятої з експериментального графіка для деякого кута (наприклад, θ= 60°) можна оцінити значення τ₀. Обчислити значення τ₀ і оцінити похибку результату можна за допомогою методу найменших квадратів. Для цього потрібно апроксимувати експериментальну криву відповідною функцією (див. формули (3)-(5)). Як видно, у такому підході не обов'язково знати , оскільки ця величина є варiюючим параметром і визначається із пiдстановки.

Контрольні питання

1. Склад й енергія первинних космічних променів.

2. М'яка й тверда компоненти космічних променів.

3. Механізм утворення мезонів у космічних променях. Характеристики розпаду і мезонів.

4. Чому електрони й позитрони космічних променів відносяться до «м'якої» компоненти й поглинаються цілком приблизно в 10см свинцю, а μ-мезони тієї ж енергії відносяться до «твердої» компонента й вільно проходять через цей шар?

5. Час життя μ-мезонів, облік ефекту, що випливає зі спеціальної теорії відносності.

6. Залежність імовірності поглинання й розпаду від відстані, пройденої μ-мезонами в атмосфері.

7. Опис експериментальної установки й порядок виконання роботи з вивчення космічних променів.

8. Методика обробки даних, облік злив від стін і числа випадкових збігів. Визначення часу життя µ-мезона й похибки отриманого результату.