Muon mass measurement using scintillator detectors
Creators: name: Χαριτοπούλου, Δέσποινα Πέτρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Διάσπαση μιονίου
Ανιχνευτές σπινθηρισμών
Προσομοίωση στο GEANT4
Muon decay
Scintillator detectors
GEANT4 Simulation

description: Cosmic muons are unstable elementary particles produced by the collision of the cosmic radiation with the Earth’s atmosphere. These particles manage to reach the surface of the Earth and therefore can be analyzed. A free muon decays into an electron, an electron antineutrino and a muon neutrino and by analyzing its products’ energy one can estimate the muon’s mass. The present thesis studies the measurement of the muon mass by experiment and simulation in GEANT4 software tool-kit and the comparison of the two. First of all, the basic theory for the cosmic radiation is presented and its interaction with matter. Next, a description of the experimental setup is given along with a description of the experimental procedure. After the theoretical part of the thesis, the experimental analysis is introduced. The method and algorithm used for the data acquisition are presented and the experimental results are discussed. The GEANT4 simulation models are also introduced. First, the muon decay simulation is discussed, then the simulation of an ion decay, with all the muon characteristics except the muon mass, is presented for various masses and lastly, the simulation of the part of the muon decay where the produced electrons deposit their energy in the scintillator is also examined, using as initial energy distribution for the electrons the distributions from the various muon masses’ simulation. Finally, the comparison of the experimental data with the simulation data is presented in order to determine which simulated distribution best matches the experimental data and therefore, which is our determined value of the muon mass. In the end, the final results are discussed reaching some conclusions and possible improvements and some code snippets are presented.
description: Τα κοσμικά μιόνια είναι ασταθή στοιχειώδη σωματίδια τα οποία παράγονται κατά τη σύγκρουση της κοσμικής ακτινοβολίας με την ατμόσφαιρα της Γης. Αυτά τα σωματίδια φτάνουν στην επιφάνεια της Γης και ως εκ τούτου μπορούν να αναλυθούν από πειράματα στην Γη. Το μιόνιο διασπάται σε ηλεκτρόνιο, ηλεκτρονικό αντι-νετρίνο και μιονικό νετρίνο. Αναλύοντας την ενέργεια που αφήνουν τα προϊόντα της διάσπασης του μιονίου μπορούμε να βγάλουμε συμπεράσματα για την μάζα του. Η παρούσα διπλωματική εργασία μελετά την διαδικασία μέτρησης της μάζας του μιονίου μέσω πειράματος και προσομοίωσης στο λογισμικό GEANT4 . Αρχικά, παρουσιάζεται η θεωρία των κοσμικών ακτίνων και της αλληλεπίδρασής τους με την ύλη. ΄Επειτα, περιγράφεται η πειραματική διάταξη καθώς και οι βασικές αρχές της πειραματικής διαδικασίας. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η πειραματική ανάλυση. Η μέθοδος και ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκαν για την απόκτηση των πειραματικών δεδομένων αναλύονται και εξετάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα. Επιπλέον, αναλύονται τα μοντέλα της προσομοίωσης στο λογισμικό GEANT4 . Αρχικά, μελετάται η προσομοίωση της διάσπασης του μιονίου, μετά η προσομοίωση της διάσπασης ενός ιόντος, που υιοθετεί όλα τα χαρακτηριστικά του μιονίου εκτός της μάζας, παρουσιάζεται για διάφορες μάζες και τέλος, εξετάζεται η προσομοίωση των παραγόμενων ηλεκτρονίων της διάσπασης που εναποθέτουν την ενέργειά τους στον σπινθηριστή, χρησιμοποιώντας ως αρχική κατανομή ενέργειας για τα ηλεκτρόνια τις κατανομές από την προσομοίωση των διαφόρων μαζών μιονίων. Στο τέλος, γίνεται η σύγκριση μεταξύ των πειραματικών και των προσομοιωμένων δεδομένων προκειμένου να προσδιοριστεί ποια προσομοιωμένη κατανομή ταιριάζει καλύτερα με τα πειραματικά δεδομένα και επομένως, σε ποια τιμή για την μάζα του μιονίου καταλήγουμε. Τέλος, εξετάζονται κάποιες βελτιώσεις μαζί με τα τελικά αποτελέσματα και τα συμπεράσματα στα οποία καταλήγουμε, καθώς επίσης και κάποια κομμάτια του κώδικα που χρησιμοποιήσαμε.