弱相互作用的宇称不守恒是标准模型中的重要结论。它在被提出来后，很快在实验上得到证明，杨振宁、李政道为此获得 1957 年的诺贝尔物理学奖。在教学实验中如何观测到弱相互作用宇称不守恒效应，是基础物理实验教学中一个备受关注的问题。

弱相互作用宇称不守恒的一个效应是 p 介子和缪子衰变的极化性。 p 介子通过弱相互作用衰变为 m 轻子（简称缪子）和 m 中微子。由于宇称不守恒，其产生 m 轻子具有完全的自旋极化。极化的 m 轻子进一步衰变成电子和两个中微子。该过程仍是一个弱相互作用过程。在宇称不守恒的作用下，衰变产物电子的出射方向相对 m 轻子的自旋方向（即极化的 m 轻子的运动方向）而言，具有前后角非对称性。

地面实验室观测到的宇宙射线缪子，主要是高能原初宇宙射线与外太空大气原子核碰撞产物的后续衰变粒子，其中的绝大部分就由 p 介子衰变产生。在考虑相对论效应以及各种抵消效应之后，宇宙射线缪子衰变的剩余极化性，可以作为弱相互作用宇称不守恒效应的一个信号。

图 1 ：部分参与实验开发的本科生

近年来，基础物理实验课程中的部分本科同学，包括徐集思（图 1 右）、储岸君、袁子（图 1 中）、宋鑫梁（图 1 左）和陈天乐等人，在课程老师的指导下，开发了一个教学实验，成功观测到宇宙射线缪子衰变的极化。实验采用了 6 块塑料闪烁体探测器，相互平行装成一列（图 2 ）。在某一块闪烁体捕获到一个停阻的缪子之后，他们探测该探测器中产生的衰变电子，并探测其是否通过上方或下方的探测器，从而判断衰变电子的运动朝向。通过统计朝上和朝下衰变的事件数，他们可以得到宇宙射线缪子衰变的上下不对称性。

图 2 ：实验装置与测量原理示意图

实验装置如图 2(a) 所示，由六个闪烁体探测器组成。图 2(b) 中， I 和 II 分别代表了一个缪子贯穿整个探测器的事件和一个缪子停阻在探测器内并衰变的事件。图 2(c) 和 (d) 分别示意了这两种事件所产生的信号序列。通过符合电路的筛选和对信号序列的进一步分析，我们可以筛选出衰变类的事件，并判断其衰变电子的发射朝向。

经过两期实验的开发和建设，他们最终成功完成了实验。实验中还发现，得到的极化度与缪子的停阻深度有关。为此他们发展了一套巧妙的数据分析方法来修正实验结果。最终观测到停阻缪子衰变过程中电子出射的上下不对称度为 。这一结果在大约 2σ 的置信度水平上证明了缪子非零极化率的存在，从而验证了宇称破缺的存在性。得到的实验现象与蒙 - 卡模拟结果相符。

该成果以《 Observing the polarization of cosmic-ray muons in student physics laboratory 》为题发表于物理教学方面的国际高水平期刊《 European Journal of Physics 》上。在老师和助教的指导下，两期参加实验的本科同学自主完成整个实验过程，包括方案设计，实验装置搭建，实验仿真和数据处理等多个方面工作。这不仅加深了学生对物理知识的认识，也充分锻炼了他们的实验水平和科研素质。文章的第一作者徐集思目前在清华大学高等研究中心攻读博士学位。该实验也获得清华大学实验室建设贡献二等奖。后续的基础物理实验教学工作将进一步改进实验装置，以达到更好的实验效果。这一工作得到清华大学学堂计划、清华大学实验教学改革计划和清华大学实验中心平台等项目资助。

全文链接为 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6404/abd87f