Entdeckung des Myons und des Pions in der kosmischen Strahlung Daniel Ebeling.
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Entdeckung des Myons und des Pions in der kosmischen
Strahlung
Daniel Ebeling
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Überblick
• Kosmische Strahlung
• Geschichtliches
• Entdeckung des Myons
• Entdeckung des Pions
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Kosmische Strahlung
• Entdeckung– Viktor Franz Hess 1912– Intensität der Strahlung hängt von Höhe ab– Heißluftballon 5000 m
• Primärstrahlung – Protonen - 85%– Helium-Kerne - 12%– Kerne mit Z ¸ 3 - 1-2% – Elektronen - 1-2%– Photonen - 0,1%
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Viktor Franz Hess (1883 – 1964) vor der Entdeckung der kosmischen Strahlen
1936 Nobelpreis
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Kosmische Strahlung
• Energiebereich der Primärstrahlung– ca. 106 eV bis über 3 ¢ 1020 eV
• Teilchenfluss
– ' 2,7 (1010 eV < E < 1016 eV)– ' 3,1 (1016 eV < E < 1019 eV)– ' 2,5 (E > 1019 eV)
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Fluss der Primärteilchen in Abhängigkeit ihrer Energie
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Energie (eV)
Energiespektrum der kosmischen Strahlung. Y-Achse wurde mit E2,5 skaliert.
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Luftschauer
• Primärteilchen erzeugen beim Auftreffen auf die Atmosphäre Sekundärteilchen
• Bei höheren Energien
• Die Pionen zerfallen anschließend in Myonen
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hallo
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Geschichtliches
• 1932: 4 Teilchen (, p, n, e-)
• 1934: Hedeki Yukawa
Wechsel-wirkung
stark em
Austausch-teilchen
Meson Photon
Reichweite ca. 1,4 fm unendlich
Masse ? 0
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Hideki Yukawa (1907 – 1981)
1949 Nobelpreis
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Feynman-Diagramm für die Proton-Neutron-Wechselwirkung durch Austausch eines Pions
Unschärferelation
Energieverletzung nicht beobachtbar, wenn
Mit R = 1,4 fm erhält man für die Masse des Pions
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Entdeckung des Myons
• 1937: Anderson
• Nebelkammeraufnahmen
• m = 106 MeV, = 2,2 ¢ 10-6 s
• Yukawa‘s Meson? Nein!– Keine starke Wechselwirkung – Lebensdauer zu lang– Halbzahliger Spin– (Nur positive und negative Ladung)
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Carl David Anderson (1905 – 1991)Nobelpreis 1936 (Positron)
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Schematische Darstellung einer Nebelkammer
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Das Myon heute
• Lepton
• Fermion
• Unterliegt der schwachen und der elektromagnetischen Wechselwirkung
• Zerfälle
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Entdeckung des Pions
• 1947: § Powell
• Photografische Emulsionen – Verschiedene Berge (bis 5600 m)– Flugzeuge (bis 9100 m)
• m = 139,6 MeV/c2 = 2,6 ¢ 10-8 s
• In Photoplatte beobachteter Zerfall
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• Cecil Frank Powell (1903 – 1969)
• 1950 Nobelpreis
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Beispiele für Zerfälle von Pionen in Myonen.
Die Myonen zerfallen anschließend in Elektronen
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Das neutrale Pion
• 1950: 0 Bjorklund
• Synchrozyklotron-Beschleuniger– Entdeckung der Produktionsschwelle von
Pionen in Wechselwirkungen zwischen beschleunigten Protonen (¸ 200 MeV) und Kohlenstoff- oder Beryllium-Targets
• m = 135,0 MeV/c2 = 0,8 ¢ 10-16 s
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Zerfall des Pions
• Mögliche Zerfälle
• Erster Zerfall ist stark unterdrückt
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Zerfall des Pions
• Mögliche Zerfälle
• Erster Zerfall ist stark unterdrückt
• Erklärung: Paritätsverletzung bei der schwachen Wechselwirkung
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Zerfall des Pions
• Relativistische Fermionen (Antifermionen) sind bevorzugt links(rechts)-händig
• Die umgekehrten Zustände sind nicht verboten, aber unterdrückt
• Neutrinos (Antineutrinos) sind immer relativistisch und deshalb immer links(rechts)-händig
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Zerfall des Pions
Relativistisch:
Nicht-relativ.:
• Das + hat Spin-0 Die Spins der geladenen Leptonen und der Neutrinos müssen entgegengesetzt sein
Helizitäten der emittierten Leptonen (s = dicke Pfeile, p = dünne Pfeile)
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Zerfall des Pions
• e+, + sollten rechtshändig sein (Antifermionen)
• Massendifferenz zum Pion e+ relativistisch (m groß)
+ nichtrelativistisch (m klein)
• Folgerung: Zerfall des Pions in Positron ist stark unterdrückt
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Mesonenoktett
Ordnung der Mesonen nach I3 (x-Achse) und S (y-Achse)
Ladung ergibt sich aus der Gell-Mann-Nishijima-Relation