自制粒子探测器,观测来自外太空的宇宙射线

作者: Zwicky

来源: 原理

发布日期: 2016-06-01

本文介绍了如何自制一个简单的粒子探测器——云室,用以观测来自外太空的宇宙射线。通过详细的材料和步骤说明,以及对不同粒子径迹的解释,帮助读者理解宇宙射线的性质和探测方法。

每秒钟,都会有上万颗来自外太空的宇宙射线穿过你的身体,但你却浑然不知,因为你看不到它们,听不到它们,也感受不到它们的存在。当我们发现自己居然无时无刻的都与宇宙有着如此亲密的接触时,我们无法控制自己的好奇心想要看到这些粒子。宇宙射线是来自外太空的带电高能次原子粒子,它们可能来自黑洞或者超新星爆发等。

大部分的初级宇宙射线都是质子,当它们到达地球大气层的顶部时,它们会产生次级粒子流,包括电子、光子、中微子和μ介子。μ介子跟电子的性质一样,除了它比电子重很多,它们能够轻易的到达海平面,所以它们是研究宇宙射线的最佳粒子,因为它们容易被探测到。在世界各地,有许多的粒子探测器,正在捕捉、观察、研究着这些粒子。

比如欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC),它是个不可思议的庞然大物:重达上千吨,同时也包括了上百万的探测元件以及来自世界各地的上千名科学家。但是粒子探测器并不总是那么复杂的。事实上,一些粒子探测器是非常简单的,你甚至可以在自己的家里制作。1938年,加州大学伯克利分校发明的“连续灵敏扩散云室”(点击文末阅读原文可查看原论文)就是这样一种能够窥视来自宇宙的访客的探测器。

云室里面充满酒精蒸汽,会产生“云雾”,对通过的粒子非常的敏感。当宇宙射线飞速的穿过云室时,它便会产生鬼魅般的粒子径迹,而且是肉眼可见的。要制作一个云室非常简单,只需要一些简单的材料和步奏就可以实现。

材料:1. 透明塑料或者玻璃缸(比如鱼缸)以及金属板(能让温度快速传导的物质);2. 毛毡;3. 异丙醇(90%或更多,注意:使用时需要戴上护目镜);4. 干冰(冰冻的二氧化碳,注意:使用时需要戴上厚手套)及盛干冰的容器;5. 剪刀和手电筒。步骤:1. 把毛毡剪成适合鱼缸底部的大小,用胶水牢牢地将它粘合在鱼缸底部。2. 之后将异丙醇倒入鱼缸里的毛毡上,浸泡直至饱和,将多余的倒干。

3. 将干冰放在一个盒子或容器中,这样会更加稳。之后将金属板平放在干冰上面。4. 将鱼缸倒过来,并准确的放在金属板上,注意密封性要好。5. 鱼缸底部会慢慢地形成一层云雾,等10分钟......打开手电筒照射鱼缸,你就会看到来自外太空的宇宙射线。如果还是不确定,可以看视频:在云室中会发生什么?在室温中,当异丙醇被毛毡吸收后,它会慢慢地蒸发到空气中。

但是酒精蒸汽会慢慢地朝干冰沉下去,它会慢慢冷却并企图再次回到液态。在鱼缸底部的空气现在已经过饱和了,在这个小小的空间里,酒精蒸汽被冷却到了可以凝结成液体的温度以下(刚好低于常压露点)。在这个温度下,它本该凝结成为液体,但却没有。这就好比在秋天的清晨,水分子吸附在草叶上一样,这些酒精蒸汽会产生云雾。穿过云室的粒子当粒子通过云室时,它会遇上一些分子,并踢出其中的电子,使分子变为带电离子。

酒精蒸汽会被这些离子吸引靠近它们,并结成小露珠。结果就会留下像飞机划过天空时留下的径迹——细长的线条都是粒子穿过云室的证据。会有许多不同的粒子穿过云室,这些不同的粒子会在云室中留下不同的径迹模式,因此物理学家就可以区分他们看到的是什么粒子。短而粗的径迹当你看到短,并且较粗的径迹时,证明你看到的并不是来自外太空的宇宙射线。你看到的其实是氡原子吐出来的阿尔法粒子(包括两个质子和两个中子)。

氡是一种天然的放射性元素,但是它出现在如此低浓度的空气时它的放射性比花生酱更低。而阿尔法粒子体积较大,并且能量很低,因此它们只留下短且粗的轨迹。长而直的径迹哦也~你看到的是μ介子!μ介子是电子的表兄,只不过质量要大很多。当宇宙射线在大气层中与分子相撞时就会产生介子。由于他的质量庞大(相比于微观粒子世界),μ介子可以肆无忌惮的穿过云室并留下清晰而且笔直的轨迹。

之字型及卷曲的径迹如果你看到一个径迹像一个在国外迷路的游客的路径,那么你看到的是电子和正电子(反电子)。当宇宙射线撞上大气分子的时候也会产生电子和正电子。由于电子和正电子较轻,当它们撞上空气分子的时候就会到处乱撞,留下之字型或者卷曲形的径迹。分叉径迹如果你看到一个分叉的径迹,说明你观测到了一个衰变。许多粒子都是不稳定的,它们会在特定的时间内衰变成稳定的粒子。

如果你突然看到一条径迹分叉开来,说明物理正在发挥作用!最后,如果你不想这么麻烦的在家里去制造一个云室,但也想看到宇宙射线。拿出你的手机,下载一个叫DECO的APP。但坏消息是,该APP仅限安卓系统,IOS系统的还在开发中。

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