La vida media del muón

Objetivos

Medir la vida media de los muones de rayos cósmicos (con una precisión de unos pocos porcentajes de su valor correcto) usando un detector de centellador liquido y fotomultiplicador, con un sistema de adquisición de datos con módulos de electrónica rápida y la ayuda de un PC.

Observaciones y advertencias

- Se basa en los procedimentos sugeridos por Don Hartill (Lifetime of Cosmic Ray Muons with On-Line Data Acquisition on a Computer). Otra referencia útil es el manual de MIT en http://web.mit.edu/afs/athena.mit.edu/course/8/8.13/JLExperiments/JLExp_14.html y los libros de Melissinos y Leo. El libro de Leo tiene muchos detalles sobre este tipo de equipos. Además estan los manuales de los equipos.

- La electrónica no es la descrita por Hartill, sino la de módulos tipo NIM y CAMAC. Un módulo especial tipo NIM fabricado por Juan Fernando Lizarazo controla los pulsos para muestreo de tiempos. A partir de la página 100 del logbook del laboratorio de altas energías hay una breve guia para el uso de este módulo.

- El mueble (rack) que contiene toda la electrónica tiene un controlador de potencia (Pulizzi). La fuente de alto voltaje tiene además sus propios interruptores y cada contenedor (crate) de los módulos (uno para NIM, otro para CAMAC) tiene sus propios interruptores. Antes de activar interruptores, asegurese que todos esten apagados. Luego prenda el del controlador Pulizzi y luego prenda los otros interruptores. Al apagar, primero los particulares y finalmente el del controlador.

- Asegurese de aplicar la polaridad correcta (negativa) del alto voltaje para el fotomultiplicador. La polaridad no puede cambiarse en la fuente sin apagar primero el equipo en el orden correcto: primero el interruptor de alto voltaje, seguido del interruptor de la fuente. Prenda con 0 V y aplique al fotomultiplicador el alto voltaje por pasos hasta llegar al deseado.

- Los cables de señales tienen 50 ohmios de impedancia. Coloque ese valor en el osciloscopio cuando quiera ver una señal. Nunca hale los cables para deconectarlos. Tome los conectores y desconectelos apropiadamente. Los delgados cables tipo LEMO son delicados.

- Los tres valores para ajustar antes de una corrida larga son: 1) valor del alto voltaje (en la región del plateau del fototubo); 2) el umbral del discriminador (la más alta eficiencia de detección sin dejar entrar ruido); 3) y el ancho del pulso de salida del discriminador (el menor posible sin dejar entrar "afterpulses" o abrumar el sistema de adquisición). Use el osciloscopio para mirar las señales provenientes del detector y a la salida del discriminador. En el área \TEMP del PC, use los programas  SCALER.CDL (para contar los singles Rs) y SCL_MUON.CDL (para corridas para almacenar los datos de tiempos de vida en unidades de decenas de nanosegundos).

- Antes de perder tiempo con una toma de datos de muchas horas, asegurese que SI está detectando muones y que todo está conectado y calibrado corectamente. La rata de los singles (Rs) debe ser cercana a la calculada (con base en la geometría de la botella) para los cósmicos. La rata de los accidentales (Ra) debe ser la fracción mas pequeña posible de los eventos candidatos (start-stop o Rss). Si no sabe, averigue en las referencias la manera de calcular accidentales, teniendo en cuenta que la ventana de tiempo es fija e igual a 13.5 microsegundos.

- Una vez que todo esté listo, mida con precisión la rata de accidentales (que necesita saber con alta precisión para el análisis final). Debe luego hacer tomas de prueba de menor duración (una pocas horas) antes de hacer una larga. Con la corrida de prueba haga un estimado preliminar de la vida media. Si es razonable, haga la corrida larga definitiva, que debe durar al menos 15 horas.

- En el reporte escrito, incluya descripciones del sistema de detección con centelladores y fotomultiplicadores, asi como del sistema de adquisición de datos.

- Para el análisis necesita hacer un ajuste de mínimos cuadrados con barras de error variables. Consulte a Melissinos o a Bevington. Puede usar la hoja modelo en Excel. Para ganar tiempo, prepare el software de análisis con anterioridad y uselo con los datos de prueba. Los datos de tiempos deben ponerse en bins con ayuda de algo como la función FRECUENCIA en Excel. El ancho (en nanosegundos) del bin debe ser apropiado.

- En su análisis de errores, tome en cuenta ruidos de fondo (lo más importante, debe sustraer para cada bin su estimado de los accidentales antes de hacer el ajuste y calcular  la vida media) y comente sobre la mezcla de muones positivos y negativos en su muestra. El valor medido debería ser compatible con el conocido al tomar en cuenta la incertidumbre hallada (estadística y sistemática). Un resultado de calidad debe ser una vida media dentro del 5% del valor conocido.