用μ子看世界

大约100美元，你就能绘制矿井地图。

在20世纪60年代中期，诺贝尔奖得主、物理学家路易斯·阿尔瓦雷斯（Luis Alvarez）产生了一个疯狂的想法。他提出使用µ子（宇宙射线撞击地球大气层时产生的高穿透性亚原子粒子）来寻找吉萨金字塔中的一个密室。

这种µ子粒子是电子的“重量级”表亲，它们的运动速度接近光速。它们可以穿透数米厚的坚硬岩石，包括用于建造金字塔的石灰石和花岗岩。但一些µ子会被这种高密度物质吸收，这意味着它们可以用来给金字塔拍摄X光片，从而揭示其内部结构。因此，1968年，阿尔瓦雷斯和他的同事开始在位于哈夫拉金字塔底部的一个房间进行µ子测量。

他们虽然没有在金字塔里找到密室，但确实证实了µ子断层扫描的可能性。此后，物理学家利用这项技术发现了隧道上方隐藏的竖井，研究了火山内的岩浆室，甚至探测了福岛受损的反应堆。2017年，µ子测量终于揭示了吉萨金字塔中的一个密室，但不是阿尔瓦雷斯选择探索的那座金字塔。

我们也可以用自己制造的设备进行类似实验，费用只需100美元左右。

目前有一些文档齐全的资料可以用于低成本µ子探测器，特别是麻省理工学院的宇宙观察（Cosmic Watch）项目，但还是决定采用一种更简单、成本更低的方法。买了两套盖革计数器，每套只花了23美元。虽然它被称为套件，但实际上这个电路板是完全组装好的，只剩下一个关键部件，即用于检测电离辐射的盖革-缪勒（GM）管。但没有关于它的文档。

找到了这个电路板的信息来源，包括提示如何设置GM管阳极电压的有价值的说明，缺少文档就不是问题了。

决定购买我所知道的最好GM管，那就是俄罗斯制造的SBM-20管。eBay上最畅销的这种GM管大多都来自乌克兰，但最终从美国的一个供应商处以49美元的价格买到了一对这样的GM管。

你可能会问：“为什么要两个套件和两个GM管？”这是因为，GM管不仅仅对µ子有反应。大多数情况下，它们可被环境中放射性物质所释放的电离粒子触发，比如空气中氡的子产物。

不过，将高能宇宙射线µ子与其他低能粒子区分开来并不难。只需采用物理学家所说的重合法：如果检测到靠近的GM管几乎同时被触发，就意味着一个粒子穿过了两个GM管。在装置中，两个GM管间隔25毫米，这样来自附近放射性衰变的粒子不太可能有足够的能量通过两个GM管。为了进一步降低类似的可能性，在两个GM管之间放置了一层钓鱼用的铅坠。

为了将叠在一起的GM计数器变成一个重合检测器，将每块电路板的输出（标记为VIN，通常意味着电压输入的引脚）连接到了备用的Arduino Nano，只有当两块电路板均记录了计数且时差在1毫秒以内时，才会记录命中。当然，这意味着探测器只能识别轨迹与GM管平面大致一致、能同时穿过两个GM管的µ子。

要证明这些结果确实反映了宇宙射线µ子的通量并不困难，只要测量计数率是探测器朝向垂线夹角的函数即可。宇宙射线µ子从天空垂直射入的通量大于水平传播的通量。在这两个极端之间，当探测器的平面从垂直方向旋转到水平方向时，通量应是角度余弦平方的函数。

因此，从垂直开始，用设备从不同角度来计算触发事件，每次测量至少12个小时。结果与预期的余弦平方变化非常一致。例如，当完全水平时，探测器记录的值小于垂直时所测值的10%，但并不是0。

即使在水平状态下，µ子计数值不是0也不奇怪。两个直径1厘米的GM管之间只有2.5厘米的距离，探测器的角分辨率非常宽（±22度）。因此，即使将设备设置为检测水平通量，它也一定能检测到从水平线以上22度处进入的µ子。

有了这个可用的µ子探测器后，可以开始探索地球，或者说，至少是探索地球的一小部分。到访位于北卡罗来纳州米德兰的里德金矿，这是美国的第一个商业金矿。我在矿井中待了大约两个半小时，做了5次30分钟的测量。可以很轻易地发现了矿井水平主隧道上方越来越厚的岩层。探测器甚至能在一个地方探测到存在竖井，因为在没有岩石的地方测量到的µ子比在隧道附近测量到的µ子更多。

这些测量需要花费很长的时间，因为需要积累足够的计数以实现合理的统计精度，所以需要有耐心。但这不失为利用宇宙力量的一种好方法，即使是在地下深处！

来源：悦智网

编辑：亦山

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