Muon flux measurements and the randomness of the data: a project work for honours´ physics degree students

• J. Chico ^[1] ; C. Ojeda ^[1] ; R. Sánchez ^[1] ; C. L. Ladera ^[1] ; E. Colina ^[1] ; J. Sánchez ^[1] ; K. Pimentel ^[1] ; H. Figuera ^[1] ; J. E. Camargo ^[1] ; G. Pérez ^[1]
  1. [1] Universidad Simón Bolívar
• Localización: Latin-American Journal of Physics Education, ISSN-e 1870-9095, Vol. 12, Nº. 3, 2018
• Idioma: inglés
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• Resumen
  • español

    El flujo de los muones de origen cósmico ha sido medido por primera vez en Venezuela. Seis mediciones independientes fueron realizadas en localidades geográficas de diferente altitud (entre 0 y 3600 m) sobre el Nivel del Mar utilizando un detector de centelleos. Se realizó además un estudio estadístico de la data de los eventos de detección con el fin de saber si dicha data puede ser usada para generar números aleatorios. Su aleatoriedad no puede ser supuesta a priori ya que la naturaleza del proceso físico de detección en el centelleador determina la data. Además, se diseñó un algoritmo simple para generar una secuencia binaria uniforme y aleatoria a partir de la data. La medición de los muones en una sola localidad genera una secuencia de aproximadamente 32000 dígitos. Se calcula entonces la entropía de secuencias de diferente longitud que son extraídas sucesivamente de la primera secuencia y se compara con aquella de una secuencia binaria aleatoria. Esta última es generada usando un generador pseudoaleatorio.

    La entropía relativa de ambas secuencias es aproximadamente 0.9934. Concluimos así que en efecto la data del decaimiento de los muones puede ser usada como un buen generador de números aleatorios. La medición del flujo de muones es un excelente proyecto para un equipo de estudiantes de licenciatura en física. Ello implica cooperación y preparación de un verdadero equipo de investigación. En este trabajo se complementó la medición standard del flujo de muones con el análisis estadístico arriba descrito. Este proyecto contó con el apoyo de la Fundación Mercantil venezolana.

  • English

    The flux of muons of cosmic origin has been measured for the first time in Venezuela. Six independent measurements at different geographical locations above sea level (0 to 3600 m) were taken using a scintillation detector. A statistical analysis was undertaken to study the data from the detection events with the purpose of finding whether or not such data can be used as a random number generator.

    Its stocasticity cannot be guaranteed a priori since the actual physics of the complex detection process taking place inside the scintillator determine the data. Also a simple algorithm was implemented to generate a uniform binary random sequence from the data. Muon measurement at a single location generated a string of approximately 32000 digits.

    The entropy of strings of different lengths, extracted successively from the first binary string is calculated and compared with the entropy of a uniform binary random string. The latter was generated using a standard pseudorandom number generator. We obtained values about 0.9934 for the relative entropy of both strings. Our conclusion is that the data collected can be reliably used as a good generator of random numbers. The measurement of the muon flux is an excellent project for a team of honours´ physics degree students taking Modern Physics courses. It provides firsthand experience with experimental Special Relativity and with detection techniques proper to high energy physics. It involves the cooperation and preparation of a true research group. We have complemented the standard flux measurement with the statistical analysis already described. This may be the first time that this type analysis has been undertaken with cosmic muons data. This project had the support of the Venezuelan Fundación Mercantil.