图2 宇宙线缪子产生过程
在这些“粒子雨”中，有一种粒子叫做缪子(μ)。缪子是一种带电的基本粒子，质量是电子的207 倍，静止寿命为2.2 微秒。自Carl D. Anderson 和Seth Neddermeyer 等人于1936 年在观察宇宙射线过程中发现缪子以来，缪子科学取得了长足的发展。世界上的缪子源有两种，一种是依靠人工加速器产生的，主要应用于材料科学、化学、生物以及核物理等领域。另外一种缪子源便是宇宙射线引起的“粒子雨”。“粒子雨”中的缪子能量较高，属于相对论性粒子，一方面其寿命受到相对论的时钟变慢效应而延长，另一方面缪子在介质中的电离能损很小，轫致辐射和直接产生γ光子几率极小而可以忽略不计，而且是弱作用粒子，因此缪子能够穿透大量物质而到达地面。所以我们这里所说的“每秒有多少宇宙线穿过我们的身体”中的宇宙线其实主要是指“粒子雨”中的缪子。
那么每秒有多少缪子打到人体上呢?这个物理量的计算，类似于雨量器的工作原理。
这里要先回忆一下小学课程中的雨量器是怎么测量雨量的。下雨了，雨时大时小，我们怎么来表征雨的大小呢?可以用雨量器测量雨量大小。
图3 中雨量器顶部有个圆形漏斗，其上表面面积为A，雨量计漏斗确定一个选定的水平面。雨量器经过时间T，收集到了体积为V 的雨水。用收集的雨量除以收集的开放面(就是那个漏斗的圆形的面积)就是雨的大小为：
F = V/(A × T) (ml/m2 /s) (1)
如果F 大就说明雨下得越急，如果F 小就说明雨下得缓。
图3 雨量器(a)雨量器的外观;(b)雨量器的内部结构示意图
一.实验设计
1.宇宙线流强
类似于雨量器的计算方式，每秒钟缪子的个数也可以通过这样的方式进行测量。这里要引入一个新的概念：流强，流强定义为单位时间内某方向单位立体角内通过单位面积的粒子数。所以类比于雨量器，需要知道实验设备的面积(A)，收集“粒子雨”的时间(T)以及实验设备所指方向(天顶角θ)和张开的立体角sr，以及收集了多少缪子(N)。宇宙线在这段时间(T)内的平均流强为：
F = N/(A × T × Sr) (1/ (m2·s·sr)) (2)
2.实验设备
如图4 所示，由上下两个闪烁体探测器构成的缪子探测装置。不同于雨量测量，缪子流强测量需要两台探测器作为测量装置，用于排除噪声。这是因为空气中还有一些游离的粒子，比如地面的放射性物质，这些物质也可以触发探测器，但这并非我们想要的缪子，被称为“噪声”。那么如何保证测量到的信号是真实的宇宙线，而不是噪声呢?可以利用宇宙线“粒子雨”中缪子和噪声的差异进行区分，缪子是来自于天上且速度接近光速，而地面放射性物质是来自于地面，且不可能同时触发2 个探测器。两台探测器一上一下，一前一后测量到的信号，即上面的探测器测量到的时间比下面一台测量到的时间早，并且时间差与探测器距离除以光速相当，才说明是缪子先后穿过了两台探测器，这样保证测量到的信号是天上来的，而且是同一个缪子。
图4 测量缪子流强的实验设备
当我们把图4中的实验设备叠放在一起(即两台探测器的距离为0，此时探测器张开的立体角约为2π)，并水平放置在空地上时得到的计数率为23 Hz，考虑到探测器的面积，我们可以得到缪子流强大约为150个/m2/s。
二.缪子流强是各向同性的吗
“粒子雨”中的缪子流强测量和雨量测量不同的地方在于缪子来自于各个方向，而天上的雨只是来自一个方向。那来自不同方向的缪子流强相同吗?
缪子在大气中飞行的时候在不断地以电离的方式损失能量，其损失能量的速度为2 MeV/g，即缪子穿过1g 物质所损失的能量为2 MeV(1 eV=1.6 ×10-19焦耳)(下面用J 表示焦耳)，我们称之为电离能损率。当缪子的能量损失到一定程度后就会在大气中停止或者因为速度低导致寿命短(相对论效应)而衰变掉。因此当缪子穿过的物质量越多时，衰变掉的缪子数就会越多。如图5 所示，大角度的缪子到达地面前穿过大气的物质量要比正头顶来的缪子穿过的厚度多。大气越厚，大气对缪子的吸收越多，使得缪子的强度越弱，因此大天顶角的缪子流强要比小天顶角的缪子流强小。
图5 不同的方向的宇宙线穿过的大气径迹
将两个探测器拉开(如1 米的距离)就可以选出来自不同方向的缪子，然后改变两个探测器的倾斜度可以测量缪子流强随着倾斜角θ的变化。我们分别对天顶角为10 度，20 度，30 度和40 度的四个方向进行了测量，得到的探测器缪子计数率如图6 所示。一般有F(θ)=F(0)cosnθ(θ为天顶角)，其中F(0)为垂直方向的缪子流强。对海平面n=2。
图6 两台探测器拉开1 米后，探测器计数率随探测器天顶角的变化
三.宇宙线辐射对人体是否有影响
“粒子雨”中的缪子穿过人体时和X射线一样发生的都是电离辐射，电离辐射会使缪子或X射线有部分能量沉积在人体内。电离辐射都会对人体产生影响，影响的大小取决于沉积在人体内能量的多少。那“粒子雨”中的缪子穿过人体时引起的电离辐射对人体有多大的影响呢?我们可以根据缪子的流强、缪子的电离能损率以及人体特点来估计“粒子雨”中的缪子对人体的影响。
首先，缪子的电离能损率为2 MeV/g(1 eV=1.6X10-19J)，意思是，缪子每穿过1 g 物质所损失的能量为3.2×10-13J，也就是沉积在物质中的能量。
其次，人体的密度为1 g/cm3(人在游泳池水中吸足气就能浮起，呼出气就会下沉，表明人体的平均密度约为水的密度1 g/cm3)。对于正常体重的人来说身体的厚度为30 cm，那么一个缪子穿过人的身体时，所沉积在体内的能量约为9.6×10-12J。
接下来的问题就是每秒有多少缪子穿过人的身体呢?回答这个问题，我们需要知道缪子的流强和人体的面积。根据测量我们知道海平面上缪子的流强约为150 个/m2/s，人平躺时的面积大约在1 m2。有了这些数据，可以得到每秒穿过人体的缪子个数约为150个/s，相应沉积的能量约为1.5×10-9J/s.
我们把这个数字的单位转化为衡量辐射剂量常用的单位希沃特(Sv)(1 希沃特等于1 kg 的物质吸收1 J 的能量)。假设我们人的平均重量为50 kg，就可以得到“粒子雨”中缪子对人的辐射剂量约为3×10-11Sv/s，相当于0.9 mSv/年。该结果和辐射强度网站所提及的海平面地区的宇宙辐射强度0.27 mSv/年较为接近，但有差别。之所以有差别，是因为我们所考虑的模型过于简单，首先我们不是一直处于平躺状态，当我们站立时缪子的流强会减小;其次我们的身体不是每个位置都是30 cm，比方说胳膊等的厚度都远小于30 cm所以在我们的计算中高估了宇宙线所引起的辐射。对于我们普通人来说对0.9mSv/年的辐射强度仍然是没有感觉的，为此我们可以和在医疗上做一次胸部CT 的辐射剂量(8mSv)进行对比。通过对比发现“粒子雨”中缪子累计九年引起的辐射剂量和一次胸部CT的辐射剂量相同。因此我们可以得出结论，“粒子雨”中的缪子对人的影响非常小。
四.“粒子雨”中缪子的应用
利用X射线的穿透性，结合人体组织间密度和厚度的差异，当X射线穿过人体不同组织时，被吸收的程度不同，据此根据X射线强度的变化可以实现对人体组织的成像。医院中所用的X射线透视和CT就是利用这一原理。X射线的能量在124 KeV~1.24 MeV之间，不能穿透非常厚的物体，当要扫描比人体更厚的物体时就需要更高能量的射线。“粒子雨”中的缪子，到达海平面时平均能量为4 GeV，在X射线能量的1000 倍以上，是自然界为我们提供的可以穿透厚重物体的高能射线。利用“粒子雨”中的缪子，法国科学家发起了“扫描金字塔”项目，旨在利用在金字塔外部不同位置处测量到的穿过金字塔方向缪子流强的变化实现对金字塔内部结构的成像，即给金字塔做一次大型的缪子CT。图7给出了方向灵敏的缪子探测器的放置地点。当缪子通过金字塔时，会同在空气中，人体中一样发生电离能损而损失能量，穿过的物质越多损失的能量越多，缪子的流强也会随之变小，据此可推算出金字塔内部的物质分布情况。“扫描金字塔”项目利用缪子成像技术对金字塔内部结构进行了透视，发现了胡夫金字塔内部存在一个大型密室(图8)，该文章发表在了《自然》杂志上。此发现是现代科学技术在考古上的一次完美应用。
图7 已知的金字塔内部结构及方向灵敏的宇宙线探测器的摆放位置
图8 通过缪子成像技术测量得到金字塔内部的密室
缪子成像技术还可以应用于地球物理学，类似于“扫描金字塔”的方式，利用缪子成像技术测量火山内部结构如图9 所示，可以实时地测量火山内部物质的变化，以起到更好地监测火山活动，预测火山喷发等，被誉为“看穿大地的眼镜”。
五.小结
1. 我们无时无刻不生活在“宇宙线雨”中。
2. 宇宙线流强是指单位时间内单位立体角内打在单位面积上的宇宙线的数量。
3. 缪子的计数率会随着天顶角而变化，这个是由于不同天顶角大气厚度不一样，导致宇宙线“粒子雨”被“吸收”和“散射”的程度不一样。
4. 宇宙线辐射对人体的影响非常小。
5. 可以利用缪子成像技术扫描金字塔，监测火山活动。
