Myonen,Botschafter aus einer anderen
Generation
Verena Klose
TU DresdenInstitut für Kern- u. Teilchenphysik
Übersicht
• Ein kurzer Ausflug vom Weltall in dieWelt des unsichtbaren Kleinen
• Ein prominentes Teilchen stellt sich vor:
Das Myon– Herkunft
– Entdeckung
– ein paar interessante Eigenschaften
– Nachweis
– Begegnungen im “Alltag”
… oder eine Fliege ist eine Fliege, ist eine Fliege…
Ein kurzer Ausflug …
… oder eine Fliege ist eine Fliege, ist eine Fliege…
Ein kurzer Ausflug …
… oder eine Fliege ist eine Fliege, ist eine Fliege…
Ein kurzer Ausflug …
… oder eine Fliege ist eine Fliege, ist eine Fliege…
Ein kurzer Ausflug …
… oder eine Fliege ist eine Fliege, ist eine Fliege…
Ein kurzer Ausflug …
Genauer Hinschauen
109m
10-15m
Alltägliche Erfahrungen und
Fragen
Die Welt des Kleinen:
Forschung an
Beschleunigern
Die Welt des Großen:
Die Astrophysik versucht z.B.
mit Teleskopen das Weltall
zu erforschen
Ein kurzer Ausflug …
Ein kleines Quiz - Teil 1:Dem Kleinsten auf der Spur
• Besteht das Proton aus noch ‘kleineren’Teilchen?– Ja– Nein
• Kann man ein Elektron noch teilen?– Ja– Nein
• Gibt es noch mehr Elementarteilchen?– Ja, insgesamt kennen wir zwischen 10 und 20– Ja, insgesamt kennen wir über 100
Elementarteilchen– Nein
Ein kleines Quiz - Teil 1:Dem Kleinsten auf der Spur
• Besteht das Proton aus noch ‘kleineren’ Teilchen?– Ja– Nein
• Kann man ein Elektron noch teilen?– Ja– Nein
• Gibt es noch mehr Elementarteilchen?– Ja, insgesamt kennen wir zwischen 10 und 20– Ja, insgesamt kennen wir über 100 Elementarteilchen– Nein
–Schlimme Nachricht! Ichmuss sofort meine Elternwarnen.–Das kann doch gar nichtsein, Atome gibt es nur imLabor.–Na klar. Und, was ist dabei?
Übersicht
• Ein kurzer Ausflug vom Weltall in dieWelt des unsichtbaren Kleinen
• Ein prominentes Teilchen stellt sich vor:
Das Myon– Herkunft
– Entdeckung
– ein paar interessante Eigenschaften
– Nachweis
– Begegnungen im “Alltag”
Entdeckung der Höhenstrahlung
• Reaktionen vonkosmischer Strahlung mitder Erdatmosphäre
• Dabei entstehen neueTeilchen
• Diese erreichen dieErdoberfläche:einige 100 pro m2 in jederSekunde
• meist Myonen µ
• Wie hat man dasentdeckt??
Entdeckung der Höhenstrahlung
• Wie hat man das entdeckt??
•Beobachtungen um 1900:
die Luft wird ionisiert
•Bald war klar:
die Luft wird durch Strahlung
ionisiert
(1900 wurde auch die
Radioaktivität entdeckt)
•Ziel:
Messung der Stärke der
ionisierenden Strahlung
Teilchenspur
Gas
Ionen werden
erzeugt
Entdeckung der Höhenstrahlung
• Wie hat man das entdeckt??
•Idee:
Die Radioaktivität der Erde ionisiert die Luft
! Stärke der Strahlung müsste mit
steigender Höhe abnehmen
•Messungen dazu:
!Eiffelturm < 300m
!"die Abnahme der gemessenen
Strahlung stimmte nicht mit den
Berechnungen überein
!V. Hess: 7 Ballonfahrten 1911/12 bis
5000m
Entdeckung der Höhenstrahlung
Menge der gemessenen Strahlung
•Abnahme der Intensität bei niedrigen Höhen
•dann deutliche Zunahme der Intensität
!"einzig plausible Erklärung: durchdringende
Strahlung von oben
!"Entdeckung der Höhenstrahlung
Ein kleines Quiz - Teil 2:Teilchenstrahlung im Alltag
• Wir werden jede Sekunde getroffen von...– gar nichts, ich würde das doch merken– ~ 1 Teilchen– mehr als 100 Teilchen– mehr als 100 Milliarden Teilchen
Die Zeit vergeht ….
Nebelkammeraufnahme zur
Entdeckung des Positrons
• es werden neue Messgeräteentwickelt:– Nebelkammer
(übersättigtes Gas #"entlang einer Spurwerden Moleküle ionisiert, an denen sichTröpfchen bilden können)
– Photographische Platten
– Geiger-Müller-Zählrohr
• 1937 wird inNebelkammeraufnahmen ein neuesTeilchen gefunden– Masse des Teilchens messbar durch:
• Tröpfchendichte
• Krümmung der Spur in einem Magnetfeld
Entdeckung des Myons
• 1937 wird inNebelkammeraufnahmen einneues Teilchen gefunden– 200x schwerer als ein Elektron
aber leichter als das Proton! “Mesotron” (griechisch f. “in der
Mitte liegend”)
• Die Entdeckung passte zunächstzu einer theoretischenVorhersage des Pions...aber einige Eigenschaftenpassten nicht....
• erst 1947 wird es als das Myonµ identifiziert
Who ordered
THAT ?!?!
wechselwirkt
schwach mit
atomaren Kernen
es zerfällt nur in ein
Elektron und 2
Neutrinos
Myon ist ein “schweres Elektron”, eine neue Generation
Übersicht
• Ein kurzer Ausflug vom Weltall in dieWelt des unsichtbaren Kleinen
• Ein prominentes Teilchen stellt sich vor:
Das Myon– Herkunft
– Entdeckung
– ein paar interessante Eigenschaften
– Nachweis
– Begegnungen im “Alltag”
Ein kleines Quiz - Teil 3:Myonen auf der Erdoberfläche
• Manche Teilchen kann man nur auf derErde messen, weil sie wahnsinnigschnell sind.– Unsinn. Je langsamer sich Teilchen
bewegen, umso besser kann ich sie dochsehen.
– Unsinn. Die Reichweite von Teilchen hatdoch nichts mit ihrer Schnelligkeit zu tun.
– Stimmt. Wären manche Teilchenlangsamer, würden sie gar nicht auf derErde ankommen.
Schneller als … Einstein erlaubt?
• Myonen sind nicht stabil• sie zerfallen im Mittel nach ~2.2!10-6 sek.• sie entstehen in ca. 10 km Höhe
• sie fliegen im Mittel mit 99% derLichtgeschwindigkeit" ein kleines Beispiel……
Relativitätstheorie im “Teilchenphysiker-Alltag”
Zeitdilatation:
Bewegte Uhren
gehen langsamer
man altert langsamer
(Zwillingsparadoxon)
Längenkontraktion:
Bewegte Maßstäbe
sind verkürzt
Schneller als … Einstein erlaubt?
Betrachtung aus unserer Sicht
• Strecke s = 10 km• aber uns scheint die Lebensdauer
der Myonen verlängert:
"’ = "x# = 2.2 µs x 7 = 15.4 µs
• in mittlerer Lebensdauer ‘schaffen’die Myonen ca. 4.5 km
Betrachtung Myon-Sicht
• Die Zeit läuft “normal”" = 2.2x10-6 sec.
• aber die Flugstrecke scheintverkürzt:
s’ = s/# = 10km/7 = 1.4 km
• Myonen, die ca. 2 mittlereLebensdauern leben erreichen dieErde
•ganz klassisch: s = v t
•d.h. in t = 2.2*10-6 s und v = 0.99*3*108 m/s
•kämen die Myonen in einer mittleren Lebensdauers = 0.99*3*2.2 *102 m = 653 m weit
relativistischer Gamma-Faktor:
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• Ein kurzer Ausflug vom Weltall in dieWelt des unsichtbaren Kleinen
• Ein prominentes Teilchen stellt sich vor:
Das Myon– Herkunft
– Entdeckung
– ein paar interessante Eigenschaften
– Nachweis
– Begegnungen im “Alltag”
Ein kleines Quiz - Teil 4:WANTED: Myon! Dead or Alive!
• Myonen können durch 5 Stockwerke einesHauses durchfliegen!– wahr– falsch
• Man kann Myonen in einer Kaffeekanne
nachweisen!– wahr– falsch
• Oder in einem Stück durchsichtigenKunststoffs?– wahr– falsch
Die Funkenkammer
Triggerdetektor
Kosmische Strahlung
+
Triggerdetektor
Durchgang eines Myons durch die gesamte
Kammer (Signal vom Triggerdetektor)
!kurzzeitig wird eine Hochspannung angelegt
!diese entlädt sich durch das ionisierte Gas in
einem Blitz
Cerenkov Effekt
Analog zum Mach’schen Überschallkegel
vFlugzeug = vSchallvFlugzeug < vSchall vFlugzeug > vSchall
Bedingung:vTeilchen > cMedium (Lichtgeschwindigkeit im Medium)
Das Teilchen strahlt Photonen ab (Cerenkov-Strahlung)"Lichtkegel entsteht
Cerenkov Effekt
Analog zum Mach’schen Überschallkegel
vFlugzeug > vSchall
Myonen im Wasser
Der Cerenkoveffekt findetsogar im Wasser statt:
mit dem blossen Augenicht unbedingt sichtbar
$Benutzung vonPhotomultipliern:
$Umwandlung vonPhotonen inSpannungspulse
$diese kann man z.B. miteinemOszilloskop/Voltmetermessen
Myonen in vielWasser
Das ganze in groß:
Super-Kamiokande in Japan
•grosser Wassertank
•aussen mit Photomultipliernbestückt
"#iese messen dasCerenkov-Licht derMyonen
39m
42m
Myonen im Physikstudium
im Keller des Andreas-Schubert-Baus
an der TU Dresden:
Studierende im 5. oder 6. Semester
messen die Lebensdauer von Myonen
(2.2x10-6 Sek.)
wie?
•Myonen regen Moleküle des Detektormaterials (Szintillator) an
•beim Abregen wird Licht emmitiert
•dieses wird wiederum mit einem Photomultiplier registriert
Myonen im Teilchendetektor
Myonen durchdringen ein 5-stöckiges Gebäude
... also auch ...
alle inneren Lagen eines grossenTeilchendetektors
…. wir sehen uns heute
Nachmittag wieder…..
Der Myon-Steckbrief
Myon
große Schwester des Elektrons
stark übergewichtig:
200mal schwerer
positiv oder negativ geladen
(also Vorsicht!)
meidet Wechselwirkungen,
sehr scheu
bekannt seit 1937, heute
dringend gesucht