Muon life time Lab 1 Introduction Cosmic rays

Muon life time Lab. 1. Introduction: Cosmic rays, muons and lifetime 2. How to measure the muon lifetime? 3. Experimental device 4. Data Analysis Course 2009 -2010. A. Lopez Virto, R. Vilar 1

1. Introduction: Muon and lifetime 2

1. Introduction: Muon and lifetime Source: Muons coming from the cosmic rays - Space Atmospheric Nucleus Earth’s atmosphere p- po g p+ - They collide with the nucleous of the air molecules - Generate hadronic/electromagnetic cascades: p, n, , e-, e po g e+ Primary Cosmic Rays : 98 % protons/ heavy nucleons 2% electrons eg e- p- p+ Pion decays nm Electromagnetic Shower Hadronic Shower (mainly -rays) (on earth mainly muons and neutrinos) -> - -> - 3

Globo sonda 30000 m Concorde 15000 m Mont Blanc 4807 m 4

Fundamental particle: it is a lepton of the second generation, Heavier version of the electron. It is unstable. As the electron, suffers electroweak forces and not strong Matter constituents -> e+ e - -> e- e - Muons travels losing kinetic energy and finally decaying through EW interaction. - El flujo de muones a nivel del mar es de aprox. 1 por minuto y cm 2 generados a aprox. 15 km de altura 5

Que es la vida media? • Algunos muones pasan a través del centellador y producen un flash de luz y una señal en el foto • Ocasionalmente uno de ellos se frena y desintegra dando lugar a dos pulsos (uno del muón y el segundo (en un intervalo de tiempo pequeño), del electrón que se genera en la desintegración e Nuestro detector • Midiendo la diferencia temporal entre la entrada del muón y la producción del electrón podemos calcular la vida media del muón , (2. 2 sec) N = N 0 e –t/ 6

N(t): numero de muones en el instante t : cte. “tasa de desintegración” dt: Probabilidad de que el muon se desintegre en una intervalo de tiempo dt Cambio en la población de muones Integrando: d. N = -N(t) dt d. N/N(t) = - dt N(t) = N 0 exp (- t) Donde N(t) es el numero de muones supervivientes a tiempo t y N 0 es el numero de muones a t=0 = 1/ vida media del muon D(t): distribución de tiempos de desintegración D(t) dt probabilidad temporal de que el muon se desintegre en el intervalo temporal entre t y t+dt -d. N= N 0 exp (- t) dt -d. N/ N 0= exp (- t) dt =D(t) dt La distribución de tiempos de desintegración para muones que entren en el detector, es exponencial con el mismo exponente que el que describe la población de muones supervivientes. (de nuevo = 1/ vida media del muon) 7

2. Como medir la vida media del muón. 8

3. Dispositivo Experimental (I) PC Caja de electrónica Cilindro Detector: Centellador plástico PMT 9

3. Dispositivo Experimental (II) • Cilindro Detector: Centellador plástico orgánico (Polyvinyltoluene) y Flúor. (Disco de 15 cm diámetro, 12. 5 cm alto) • Interacción del muón – Muón pierde su energía cinética por ionización y excitación atómica de las moléculas del solvente – Excitación de los electrones del Flúor – Emisión de fotones – Convierte los muones entrantes en radiación UV/azul PMT: – Efecto fotoeléctrico – Multiplicación de fotoelectrones – Señal amplificada • Nos interesamos en los muones que entran, se frenan, paran y desintegran dentro del detector 10

3. Dispositivo Experimental (IV) 11

3. Dispositivo Experimental (V) Otros equipos de medida complementarios Multímetro Generador de funciones Osciloscopio digital 12

4. Datos y Análisis de datos (I) Estudio forma de los pulsos Amplifier Output Discriminator PMT Output 20 m. V/div 20 ns/div Medir intervalos de tiempo entre pulsos t Señal muón t Señal electrón # Distribución de t t 13

4. Datos y Análisis de datos (II) Formato: 40010 1047328747 10 muones durante este tiempo 40005 1047328748 40010 1047328749 40004 1047328750 900 1047328750 una desintegración, 900 ns 40005 1047328751 40007 1047328752 40008 1047329027 40006 1047329028 40006 1047329029 17280 1047329029 una desintegración, 17280 ns 40013 1047329030 40007 1047329031 14

4. Datos y Análisis de datos (III) Análisis de datos : A partir del histograma de tiempos de desintegración, se hace un ajuste: N = N 0 e –t/ + Nb Para calcular la vida media 15

Al laboratorio… Quedamos esta tarde a las 16 horas en la entrada del IFCA 16