第一讲 Muon的基本慨况.pdf 
第一讲 Muon的基本慨况.pdf
μ（muon) 子简介 陈祥磊 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v 美国明尼苏达州矿井地下700米处的探测器经过超过10年的 测量，测得了33million个μ +事件，中间的月亮轮廓是均匀背 景下120个μ +缺失造成的。十字处是真实的月亮位置，带电 粒子（主要是质子）在地球磁场作用下偏转而造成了月亮轮 廓的偏移。这些带电粒子在地球大气层上方与原子碰撞产生 次级μ +和其他短寿命粒子。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com μ发现历史 在研究宇宙射线 时发现了一种在磁场中行为不同于电子和其 它已知带电粒子的新粒子。这种粒子带一个 单位负电荷，质量介于电子和质子之间。 v 1936年， Carl D. Anderson PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com μ 子性质 成分 基本粒子 家庭 费密子 类 轻子 产生 次级粒子 作用类型 引力，电磁，弱相互作用 反粒子 μ 发现者 Carl D. Anderson, 1936 符号 μ 质量 105.658369(9) MeV/c 平均寿命 - + -6 2 2.19703(4)×10 s（2.2 μ s) 电荷 +1 e 颜色 None 自旋 ½ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com μ 子来源 v 在地球上，所有自然存在的μ 子都是由来自 宇宙深处的带着很高能量的宇宙射线（大部 分为质子）产生的。 v 地球表面每平方米内每分钟大约有10000个μ 子到达。这些带电粒子由宇宙射线与外层大 气分子碰撞产生。以相对论速度运动的μ子能 够贯穿数十米岩石和其他物质，在它们被其 它原子吸收和反射之间。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v 宇宙线主要是由质子、氦核、铁核等裸原子核组成的 高能粒子流；也含有中性的珈玛射线和能穿过地球的 中微子流。它们在星系际银河和太阳磁场中得到加速 和调制，其中一些最终穿过大气层到达地球。人类对 宇宙射线作微观世界的研究过程中采用的观测方式主 要有三种，即：空间观测、地面观测、地下（或水 下）观测。 v 当宇宙射线中的高能质子碰撞上层大气中的原子时， 介子被产生，然后再以相对论速度运动数米后衰变为 μ 子（介子的主要衰变道）和中微子。 v 既然μ 子像中微子一样对普通的物质具有穿透性，他 们同样可以在地下和水下深处被探测，在那儿他们构 成了自然背景电离辐照的主要部分。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v 像上面描述的核反应同样被粒子物理学家用 来产生μ子束。 v 在自然产生的μ子中，非常高能的质子被认为 被恒星间和星系间的电磁场加速。在人工下 类似的质子加速机制被实验室的粒子加速器 采用。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com μ 子 衰变道 µ → e +ν e +ν µ − − µ → e + ve +ν µ + + PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com muonium v Electron orbits around a μ + in stead of a proton. By looking at the chemical reactions of muonium atoms, µSR scientists can examine how hydrogen atoms would react in various materials. This research is especially important in semiconductors since hydrogen influences their conductive behaviour . PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com μ + in matters v 在晶体中， μ +被宿主原子核的电荷所排斥，但在 分子气体或者液体中，它被分子周围的电子云所吸 引。 v 在晶体中， μ +一般存在于格点离子间高对称性 的空隙中，在那儿它以反磁的状态作为近似自由的 探针而存在。 v 然而，在氧化物中，a μ +局域在氧原子周围， 形成μ-O键，类似OH”hydrogen”键。 v 在某些材料里（半导体）， μ +可能捕获一个 电子，形成muonism， 它和氢原子具有几乎相同的 原子半径和电离能，但质量只有氢原子的九分之一。 在这种方式下，电子是一种非常灵敏的探针，它以 超精细耦合的方式把它感受到的磁场传递给 v μ +. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com μ 催化聚变 v µ催化聚变(μCF)是一种允许核聚变在明显低 于热核聚变所需温度的条件下发生的进程， 即使在室温或者更低的温度。尽管µ子已经可 以在恰当的设备中被可靠的生产出来，人们 仍然相信不好的能量平衡将阻止它成为一个 现实的能源。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Anomalous magnetic dipole moment v 反常磁偶极矩是指实验观测的磁偶极矩值与 Dirac方程理论预言值得不同。 这个值的测量 和预言在量子电动力学的精密测试中是非常 重要的。 µ 对标准模型内的新物理的贡献也 是非常显著的，比如超对称性。由于这个原 因， µ 的反常磁矩通常被用来作为标准模型 内的新物理的探针，而不是量子电动力学的 测试。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com The Muon Lifetime Analysis (MuLan) experiment v µ寿命分析实验(MuLan) 测量精确到1ppm的正µ寿 命。 µ寿命提供作为标准模型的基本输入的费密常 数的最精密测定。 v 近来理论的进步减少了耦合常数的理论不确定性， 把µ寿命的计算精确到了十分之几的ppm. v 费密常数仍然存在的不确定性全部是实验的，并被 µ寿命的不确定性所控制。 MuLan 实验将要使用创 新的脉冲束，一个对称的探测器，和先进的数据获 取方法，为了把µ寿命的不确定性减小到1ppm。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Muon spin spectroscopy v Muon spin relaxation（µSR) 是一种建立在 极化µ注入物质中和探测原子，分子及晶质影 响的实验技术。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v 因自旋而具有磁矩的高能µ束极化后被注入到 研究材料中。材料中µ子在内部磁场作用下进 动，并由于衰变放出正电子，正电子的出射 方向与衰变瞬时µ子的自旋方向基本一致，通 过研究出射的正电子方向和频率等信息，就 可以得到µ子自旋方向的进动情况。 µ子自旋 的移动与粒子感受的周围磁场有关，可以提 供粒子周围环境的信息，同其他磁共振技术 很类似，比如电子自旋共振（ Electron spin resonance ，ESR or EPR ），核磁共振 （ Nuclear magnetic resonance ,NMR)。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v Μ SR是使用µ自旋在原子尺度上查看一种材 料体内的结构和动力学的进程的一些方法的 总称。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com muon,antimuon的不同 v 尽管muon,antimuon都可以被用来做μSR， 但它们在物质中不同的性质使得antimuon作 为大多数凝聚态物理和应用化学的muon的 选择。在宿主物质中，antimuon尽量避开正 电子的原子核；但muon却像很重的电子， 它很容易被捕获进原子轨道并级联进入靠近 原子核的1s轨道，在这个过程中大量的 muon失去极化并发生辐射产生噪音信号。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v 自由的moun,antimuon的寿命相同，但由于 核捕获的原因，测得的antimuon在物质中的 平均寿命要偏小。这个减小在原子序数较大 的重核中更为显著。增加的噪声，极化的减 小和更短的寿命意味着μ - SR只在特定的情 况下被应用。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v 一般的，研究者使用μ 自旋共振谱仪来处理 凝聚态物理和化学那些他们不能通过其它方 法研究的基本问题。 μ 自旋共振谱仪的优点 之一是muons能够被植入实际上的任何材料。 这使得它对于探测超导体内部特别合适，因 为其它的探测技术不能够穿透超导体且不干 扰超导体的属性。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v 高能质子撞击碳或者铍靶， v 产生的介子迅速衰变为muon， v 极化的muon进入靶区 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com µSR探测原理图 antimuon动能：４.119Mev,研究一般的固体材料。 muon动能：１０－４０Ｍｅｖ，研究用厚容器盛放的气体，液体或者高压 下的材料。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v 在不同时刻被每个探测器（前面和后面）探测到的 计数（正电子）按照时间画出曲线。 v 强加在muon指数衰减上的是一个震荡，这个震荡显 示随着muon自旋进动而像灯塔发出的光束一样扫描 过探测器的额外的计数 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 通过把两个探测器的信号之差减去两个探测器 的信号之和， μSR 的科学家可以测量muons自旋进 动的频率。当musons在不同的频率下进动时，进动 信号的幅度在不停的衰减。进动频率和弛豫率告诉 μSR 的科学家关于样品内部局域磁场的信息。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com μSR优点 v μSR对小的间隙磁场（～0.1G)有无与伦比的 极佳灵敏度。 v μSR能够测量范围在1E(+4)~1E(+12)范围的 磁场波动率。弥补了NMR和中子散射技术之 间的技术空白。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v Muon能够被植入各种复杂坏境下（高温，高 压，强的电磁场，光辐照，RFpluse等）的几 乎所有材料（气体，液体，固体）中。在能 强烈吸收中子的元素组成的材料的研究方面， muon有特殊的优势。 v 对样品大小，薄厚没有限制，适合研究新兴 材料，慢muon可以研究表面， μSR能研究 0.1cm2大小的样品。 μSR能够研究单晶，多 晶，薄膜。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v μSR提供在动量空间积分后的信息，与中子 散射相比，这能够更容易发现磁相的转变。 小范围和随机的空间关联等特性使得磁现象 的研究更加容易。 v 样品中有磁与无磁区域的同时存在导致独特 的μSR信号，信号的幅度正比于样品中被特 殊位相占据的体积。因此μSR能够识别并提 供定量的关于样品中的同时存在和相互竞争 的位相的信息。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 慢 µ 束 v 当一般的表面µ束能被用来研究非常小的样品 时，同样需要可以在样品表面，在薄膜间和 多层间隙附近停止的低能µ束。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v 一些非常巧妙的方法已经被用来产生低能µ束，但 到目前为止最成功的是在用压缩的范德瓦尔斯气体 组成的薄降能器中简单慢化，而且慢化后的µ束仍 然有很高的极化率。 v PSI的慢µ束具有0.5-30kev的可调能量，这个能量 范围对应在材料内部植入深度从不到一纳米到几百 纳米。上述慢化方法的缺点是从慢化体里出来的µ 束强度比进入时降低了好几个数量级。然而，慢µ 束的应用在凝聚态物理领域发表了数篇具有深远影 响的文章已经证明了其在研究表面和薄膜样品方面 的实用性，慢µ束有引起µSR革命的潜在能量，这 意味着研究者可以使用µSR技术作为工具直接对比 样品表面和样品内部观察到的磁现象的有关信息。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com µSR的多个面孔 v 用µSR谱仪研究物质时，有很大的自由性选 择不同的实验结构。 v TF- µSR（横向磁场µ自旋转动，磁场与初始自旋方向垂直） v LF- µSR（纵向磁场µ自旋转动，磁场与初始自旋方向平行） v ZF-μSR（没有外部磁场的µ自旋转动） v RF-μSR（纵向磁场+高频共振磁场） PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v 测量II型超导体内部的涡旋晶格处的磁场分布 v 测量似金 属系统内部的knight shift。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com LF-μSR包括平行于初始μ自旋极化方向的额外磁场的应用。 研究者测量μ子沿着它初始方向极化的时间演化。当外部磁场 为0时，就是(ZF-μSR）， ZF-μSR是一种测量弱的内部磁性的 非常敏感的方法。在无外场下研究材料的能力是其不同于其他 磁共振技术的一个巨大的优点。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v RF-μSR是传统的磁共振技术（像NMR， ESP )的变异。一个静态的平行于muon初始 极化方向的磁场被应用，一个ＲＦ磁场被用 来适应muon的自旋，当ＲＦ频率和研究下的 系统中的muon分离的能量间隔相匹配时，共 振发生。这种情况下的muon极化被探测。 v (Avoided) Level Crossing Resonance (μLCR or μACLR) v Muon Spin Echo (μSE) ： is similar to conventional NMR spin echo. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com μSR分类 当前可利用的μ束按可时间结构分为两类： 连续波 (CW)： 用连续的质子源产生没有任何可分辨时间结构的连续μ束。 优点：时间分辨好（~100ps),可用来探测强的材料内磁场和 快的弛豫信号。 脉冲： 加速器产生的脉冲质子束打靶产生有一定时间结构的脉冲μ 束。脉冲宽度要小于μ寿命，脉冲间隔要大于μ寿命。 优点：偶然符合小，信噪比好，灵敏度高，可完美的用于共 振场研究。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Muon 国际 主要研究机构 加拿大粒子与核物理 国家实验室(TRIUF) 瑞士保罗谢勒研究所(PSI) 英国卢瑟福阿普尔顿 实验室(RAL) 日本高能加速器研究组织 (KEK) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v 国际上µSR家族的四位主要成员。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 比较 v 瑞士的ＰＳＩ和加拿大的TRIUMF都是强的 连续μ束，他们都是用回旋加速器来加速质子 到接近３／４光速。 v 日本的KEK和英国的RAL都是脉冲质子束流。 在1994年，日本的武力化学研究所（RIKEN) 在英国的ＲＡＬ的（ISIS）建立了一台脉冲μ 束，现在RIKEN-RAL生产世界上最强的背衰 变μ束。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v 下面以卢瑟福-阿普尔顿实验室的muon束实 验装置为例，向大家简单介绍下muon的产生 到利用的各个环节。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 中国的散裂中子源 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com v 由于muon研究的材料种类繁多，涉及的方面 很广，这里不再详细叙述，有机会再给大家 做相关的报告。 谢谢大家！ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com