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1. 뮤온 실험 결과 보고서
1.1. 실험 방법
감지기(Detector), Electronics box, 컴퓨터(응용프로그램-Muon Physics) 등의 실험 기구들을 사용하여 뮤온 입자를 측정하는 실험 방법은 다음과 같다.
먼저 실험 기구의 케이블이 잘 연결되어 있는지 확인한다. 감지기 위에 있는 HV 조정 노브를 -1100~-1200V 사이로 조정하고, E_Box의 판별기 설정을 180~220mV로 맞춘다. E_Box 전면의 푸른색 등(Muon Detected)에 불이 들어오면 컴퓨터로 Muon Physics 프로그램을 실행시킨다.
Configure에서 E_Box와 연결된 USB 케이블의 포트를 설정하고 START를 눌러 자료를 얻기 시작한다. 충분한 시간이 흐른 뒤 View Raw Data를 통해 추출을 원하는 자료의 수를 얻는다. 마지막으로 충분한 데이터를 얻었으면 그림을 fitting해본다.
1.2. 측정값
Muon 실험에서 측정된 값은 다음과 같다. 총 500개의 뮤온 붕괴 이벤트가 관측되었으며, 뮤온 붕괴 시간(decay time)은 40 μs부터 18,880 μs 사이에 분포하고 있다. 가장 많은 뮤온 붕괴 이벤트는 220 μs에서 관찰되었다. 그 외에도 164개의 뮤온 붕괴가 40 μs에서, 123개의 붕괴가 60 μs에서, 5개의 붕괴가 80 μs에서 관측되었다. 전체적으로 뮤온 붕괴 시간이 길어질수록 관측 횟수가 감소하는 지수 분포 형태를 보이고 있다. 이러한 측정값을 통해 뮤온의 수명 특성을 분석할 수 있을 것이다."
1.3. 실험 결과
실험 결과에 따르면, 측정값을 그래프로 나타내어 분석한 결과 뮤온의 수명이 약 2.575 μsec로 계산되었다. 이는 실제 뮤온의 수명인 약 2.20 μsec와 비교해 보면 약 17%의 상대오차가 발생한 것으로 나타났다.
뮤온의 속도는 v=0.998c이며, 이에 따른 이동거리는 약 770.96m로 계산되었다. 그러나 지표면으로부터 약 10km 거리에서 생성된 뮤온 입자가 실험실까지 도달하지 못할 것으로 예상되었다.
이에 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 적용하여 뮤온의 수명을 다시 계산한 결과, 약 40.73 μsec로 늘어났다. 이에 따른 이동거리는 약 12.195km로 계산되어, 지표면에서 생성된 뮤온 입자가 실험실까지 도달할 수 있는 것으로 분석되었다.
따라서 이번 실험을 통해 특수 상대성 이론의 시간 지연 효과가 실험적으로 확인되었다고 볼 수 있다. 즉, 고속으로 이동하는 뮤온 입자의 수명이 정지 상태일 때보다 약 16배 늘어나는 것이 관측되었다.
1.4. 이론과 비교
실험 결과에서 얻은 붕괴시간별 뮤온이 관측된 횟수를 그래프로 그려 피팅하여 뮤온의 수명이 2.575 μs로 나왔다. 실제 뮤온의 수명은 약 2.20 μs로, 상대 오차 17%의 결과가 나왔다.
이는 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 적용하여 해결할 수 있다. 뮤온의 속도가 v=0.998c일 때, 상대성 이론에 따르면 뮤온의 수명은 시간 지연 효과로 인해 40.73 μs로 늘어나게 된다. 따라서 뮤온이 실험실에서 검출되는 것이 가능해진다. 뮤온이 10km 상공에서 생성되고 속도가 0.998c이므로, 정지했을 때의 수명 2.2 μs로는 실험실까지 도달하지 못하지만, 상대성 이론에 따른 시간 지연 효과로 수명이 40.73 μs로 늘어나면서 10.4km를 이동할 수 있게 되기 때문이다.
즉, 이번 실험은 특수 상대성 이론의 시간 지연 효과를 실험적으로 확인한 것이라고 볼 수 있다. 특수 상대성 이론으로 우리 관측자 입장에서 보면 0.998c의 속도를 가진 뮤온 입자의 수명이 시간 지연 효과로 인해 34.8 μs로 증가하게 되고, 따라서 뮤온은 34.8 μs 동안 10.4km를 진행할 수 있는 것이다.
1.5. 오차 분석
실험 결과에서 얻은 뮤온의 수명은 2.575 μs로, 실제 ...
