Nachweis von Myonen mit Geiger-Muller-ZahlernTobias Franzen, Andreas Kaiser, Ines Markgraf, Michaela Spiegel und Torsten Veltum

Abstract

Myonen sind Elementartteilchen und Bestandteil der sekundarenkosmischen Strahlung.Sie entstehen in einer Hohe von etwa 10-20 km /2/. Trotz ihrer kur-zen Lebensdauer von 2,2 µs erreichen sie aufgrund der relativis-tischen Zeitdilatation die Erdoberflache. Sie gelten als experimen-telle Bestatigung der speziellen Relativitatstheorie.Gewohnlich erfolgt der Nachweis von Myonen mittels Cherenkov-Strahlung oder Szintilation. Hier wurde die Moglichkeit des Nach-weises durch Geiger–Muller-Zahler (GMZ) untersucht.Die Messungen erfolgten mittels Koinzidenzmethode, wobei Ein-flusse anderer Strahlungsanteile experimentell ermittelt wurden.Mit kommerziellen GMZ konnten die Literaturwerte zurAbhangigkeit der Zahlrate vom Zenitwinkel reproduziert wer-den.Zur Erhohung der Zahlrate und somit der Messgenauigkeit wurdengroßflachige Detektoren konstruiert, deren Funktion durch Mes-sung der Geiger-Muller-Kennlinie und von Koinzidenzen mit einemkommerziellen Zahler nachgewiesen wurde. Die hiermit durch-gefuhrten Messungen weisen eine gute Ubereinstimmung zu Wer-ten der kommerziellen Detektoren auf.

Kosmische Myonen

Einige wichtige Kennzahlen kosmischer Myonen sind /2/:

τL = 2.197µs v ≈ 0.998cmµ = 207me E ≈ 4GeV

Kosmische Hohenstrahlung

Abbildung 1: Schematische Darstellung der kosmischen Hohenstrahlung /5/

Kosmische Myonen

Myonen entstehen als Sekundarprodukt der kosmischenHohenstrahlung (Abbildung 1) durch folgende Zerfallsreaktionen/4/:

π+ → µ+ + νµπ− → µ− + νµ

e− + e+ → µ− + µ+

γ → µ− + µ+

Reichweite

I Klassisch: s = v · τL = 657m→ erreichen Erdoberflache nichtI ruhender Beobachter nimmt durch Zeitdilatation veranderte Zeit-

konstante wahr:

τ =τL

γ= 35µs γ =

√1− v2

c2 = 6.3 ·10−2 (1)

I Myonen auf Erdoberflache nach Zerfallsgesetz:

NN0

= e−( tτ ) ≈ 24% (2)

I Energieverlust von Myonen durch Ionisation:

dEdx

= −0.2MeVm2

kg· ρ (3)

Nachweis mit GMZ

I Myonen losen Geigerzahler zuverlassig ausI Ausgangsimpuls gibt keinen Hinweis auf Art des TeilchensI Trennung der Myonen von Hintergrundstrahlung durch 2 GMZI Koinzidenz bei hohen Energien→ wahrscheinlich Myon

Versuchsaufbau

I Impulssignale der GMZ mit Oszilloskop digitalisiert, in LABVIEWauf Koinzidenzen analysiert

(a) Aufbau zur Koinzidenzmessung mit zwei GMZ (b) Koinzidente Signale auf dem Os-zilloskop

Abbildung 2: Versuchsaufbau mit handelsublichen Geiger-Muller-Zahlrohren

Beeinflussung durch γ-Quanten

I Bleiblock zwischen 2 GMZ (d = 10cm) schirmt γ-Quanten allerEnergien zu mindestens 99.2% ab /1/

I Myonen verlieren etwa 226 MeV, geringer Anteil der Gesamt-energie

I γ-Anteil auf etwa 30% durch Vergleichsmessungen mit Blei be-stimmt

Winkelabhangigkeit

I Formel zur Winkelverteilung /3/:

I = I0 · cos(φ)n mit n = 1.85 (4)

0 2 0 4 0 6 05 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

2 5 0

3 0 0

����

������

�� �

���

W i n k e l [ G r a d ]

Abbildung 3: Gemessene Winkelverteilung mit angepasster cos(φ)n Funktion.(n = 1.85, I0 = (272± 7)min−1m−2, r2 = 0.99)

Eigenbaudetektoren

I Grund: geringe Zahlrate durch kleine Detektorflache der GMZI Effizienz durch großere Eigenbauten gesteigertI Nach Vorbild von Drahtkammern: zwischen zwei Aluminiumplat-

ten als Kathode ein feines Drahtgitter als Anode gespannt (Ab-bildung 4(b)).

I Betriebsparameter der luftgefullten Detektoren: Spannung von2.2kV, Druck von 46mbar → ausgepragtes Geiger-Muller-Plateau (Abbildung 4(d)).

I Vorteil: Sauerstoffanteil der Luft fangt Elektronen ein durch Bil-dung negativer Ionen

I setzt Auslosewahrscheinlichkeit von (γ Quanten etc.) herab (we-niger Ionisation)

I Betrieb nur schwer uber langere Zeit aufrecht zu erhaltenI vergleichbare Koinzidenzrate von (202 ± 54)min−1m−2 mit han-

delsublichen Detektor

Eigenbaudetektoren

(a) Aufbau zum Test des Eigenbaudetektors

(b) Gitter im Eigenbaudetektor (c) Anordnung der Detektoren

2 0 0 0 2 5 0 0

1

2

3

� �

������

��

B e t r i e b s s p a n n u n g [ V ]

(d) Spannungskennlinie eines Eigenbaudetektors

Abbildung 4: Versuchsaufbau mit dem Eigenbaudetektor

Referenzen

/1/ M. Berger, J. Hubbell, and S. Seltzer.XCOM: Photon Cross Sections Database.

/2/ F. Bosch.Schlusselexperimente der Atom-, Kern-, und Elementarteilchenphysik im 20. Jahr-hundert.http://www-ap.gsi.de/bosch/Schluesselexperimente%208-10.pdf,2005.

/3/ D. Burak.Nachweis kosmischer Myonen mittels Wasser-Cherenkov-Zahler.Examensarbeit an der Universitat Karlsruhe, 2007.

/4/ W. Demtroder.Experimentalphysik 4 - Kern-,Teilchen- und Astrophysik, page 178.Springer-Verlag, 2005.

/5/ E. H. Erwin.Cosmic rays.http://www.ngdc.noaa.gov/stp/SOLAR/COSMIC_RAYS/image/shower.gif, 2005.