在任何特定时刻，地球的大气层都被高能宇宙射线所照射，这些宇宙射线已经被超新星爆炸以及远远超出太阳系的其他天体物理现象所摧毁。当宇宙射线与地球大气层发生碰撞时，它们会衰变为μ子 - 带电粒子，它比电子稍重。

　　Muons只持续几分之一秒，在它们短暂的生命周期中，它们可以通过地球大气的每一层被发现，在我们周围的空气中循环，并以类似于细雨的速度下雨到地面上。一小部分μ子甚至可以穿透地球表面并穿过岩石和冰层行进数公里。

　　现在麻省理工学院的物理学家设计了一个口袋大小的宇宙射线μ子探测器来跟踪这些幽灵般的粒子。探测器可以由普通的电子部件制成，当打开时，它会在μ子经过时亮起并计数。相对简单的设备仅需100美元即可构建，使其成为当今最实惠的μ子探测器。

　　由麻省理工学院物理系研究生Spencer Axani领导的研究人员为学生设计了探测器。他们已经启动了一个名为CosmicWatch的推广计划，其中包含一个列出要购买的零件的网站以及有关如何组装，校准和运行探测器的详细说明。该团队估计，一名普通高中生应该首次花费大约四个小时建造一个探测器，而第二次建造探测器只需要一个小时。

　　一旦启动并运行，探测器可以随身携带，以测量几乎任何环境中的μ子速率。该团队为高中和大学生提供了近100个探测器，他们已经将这些仪器送上飞机和气象气球，以测量高海拔地区的μ子率。正如Axani所做的那样，学生们也将探测器带入地下。

　　“当你把粒子探测器带入地铁时，你看起来很有趣，但我们在波士顿做过，”Axani说。“由于μ子速率会越来越低，我们将探测器放在地铁站测量地下我们的距离。”

　　研究人员在美国物理学杂志上发表了第一版探测器设计。Axani的合着者是麻省理工学院物理学教授Janet Conrad和初级Conor Kirby。有关其最新版本的详细信息，请访问CosmicWatch网页。

　　珍惜垃圾

　　Axani最初的目的是建造一个小型的手持式μ子探测器，作为IceCube的一个微型附加装置，这是一个巨大的粒子探测器，装在冰上，位于南极深处。IceCube旨在检测称为中微子的亚原子粒子。

　　天文台的科学家提出，可以在PINGU(精确冰块下一代升级)中插入一个小的μ子探测器，这是一种提高探测器对低能中微子的敏感度的阵列。埋在这种阵列中的小μ子探测器能够标记μ子的精确位置，使科学家能够在寻找中微子时筛选出这些粒子。

　　Axani承担了设计用于PINGU的原型μ子探测器的任务。典型的μ子探测器由内置有闪烁体的光电倍增管组成，闪烁体是一种在被带电粒子撞击时发光的材料。当诸如μ子的粒子通过检测器反弹时，光电倍增管将发射光产生的电流倍增。通过这种方式，即使单个光子也可以产生足够大的电流以便可以测量。这用于确定μ子或其他粒子是否已通过检测器。

　　虽然大多数实验室规模的μ子探测器都是由大而笨重的光电倍增管和更大的电池组成，但Axani却在寻找缩小设计的方法。

　　在麻省理工学院挖掘废弃的电子设备后，他找到了构建更薄设备所需的组件，只需要很少的功率。

　　他还设计了简单的电子和软件组件，以显示通过探测器的μ子数量，使探测器成为一个独立的测量和读数仪器。

　　一个项目需要飞行

　　由于Axani首次尝试设计原型，他的项目已经演变成更多的外展工作，因为他意识到用于构建探测器的组件相对常见，易于访问且易于组装 - 所有这些都是教学生手的理想品质 - 粒子物理学。

　　他，康拉德和波兰国家核研究中心的同事K. Frankiewicz为学生组装了工具包，可以用来制造大小与大手机大小相当的手持式探测器。每个套件包括一块塑料闪烁体，一个SensL硅光电倍增管，一个Arduino Nano，一个读出屏，一个定制设计的印刷电路板和一个3D彩色印刷外壳，有彩虹色。

　　该团队为波兰华沙大学以及密苏里科技大学的学生提供了工具包，学生们在那里建造了一系列探测器并将它们送到气象气球中以测量高海拔的μ子。学生们还将探测器带到飞机上，以测量不同海拔高度的不同μ子数。

　　“在海平面上，你可能会在海平面每两秒钟看到一次计数，但是在巡航高度的飞机上，这个速度增加了大约50倍 - 这是一个巨大的变化，”Axani说。“根据测得的速度，您可以反算出飞机的实际高度。”

　　波士顿大学的一个小组也正在调查将μ子探测器放置在亚轨道火箭上的可能性，达到100,000英尺的高度。

　　“当你起身足够高时，你就会离开宇宙射线的μ子生产区域，你可以开始看到营业额，其中μ介子的速率在某个高度增加，然后开始降低超过一定的高度，”康拉德说。

　　最终，研究人员希望将他们的口袋探测器用作μ子层析成像的手段，这种技术利用μ子的分布来创建探测器周围材料量的三维图像。科学家过去曾使用μ子层析成像仪器，就像X射线或CT扫描一样，发现地质结构，其中最着名的是20世纪60年代在吉萨寻找Chephren金字塔隐藏室的努力。

　　“这是我想在某些时候尝试的东西，也许是为了绘制我上方楼层的办公室，”Axani说。“现在我喜欢把这些探测器放在我的公文包里，并在我旅行时测量μ子率。”

　　研究人员将继续在CosmicWatch网站上提供试剂盒，以及如何组装和应用它们的说明。他们还希望收集使用该工具包的学生和教育工作者的反馈意见。

　　康拉德说：“这是一个非常巧妙的例子，说明神秘的物理学如何产生直接有用的东西。”