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:

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 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