Myonen, Botschafter aus einer anderen Generation. Verena Klose TU Dresden Institut für Kern- u. Teilchenphysik

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1 Myonen, Botschafter aus einer anderen Generation Verena Klose TU Dresden Institut für Kern- u. Teilchenphysik

2 Übersicht Ein kurzer Ausflug vom Weltall in die Welt des unsichtbaren Kleinen Ein prominentes Teilchen stellt sich vor: Das Myon Herkunft Entdeckung ein paar interessante Eigenschaften Nachweis Begegnungen im Alltag

3 Ein kurzer Ausflug oder eine Fliege ist eine Fliege, ist eine Fliege

4 Ein kurzer Ausflug oder eine Fliege ist eine Fliege, ist eine Fliege

5 Ein kurzer Ausflug oder eine Fliege ist eine Fliege, ist eine Fliege

6 Ein kurzer Ausflug oder eine Fliege ist eine Fliege, ist eine Fliege

7 Ein kurzer Ausflug oder eine Fliege ist eine Fliege, ist eine Fliege

8 Genauer Hinschauen Ein kurzer Ausflug Die Welt des Großen: Die Astrophysik versucht z.b. mit Teleskopen das Weltall zu erforschen 10 9 m Alltägliche Erfahrungen und Fragen m Die Welt des Kleinen: Forschung an Beschleunigern

9 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

10 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 Schlimme wir zwischen Nachricht! 10 Ich und 20 muss sofort meine Eltern Ja, insgesamt kennen wir über 100 Elementarteilchen warnen. Nein Das kann doch gar nicht sein, Atome gibt es nur im Labor. Na klar. Und, was ist dabei?

11 Übersicht Ein kurzer Ausflug vom Weltall in die Welt des unsichtbaren Kleinen Ein prominentes Teilchen stellt sich vor: Das Myon Herkunft Entdeckung ein paar interessante Eigenschaften Nachweis Begegnungen im Alltag

12 Entdeckung der Höhenstrahlung Reaktionen von kosmischer Strahlung mit der Erdatmosphäre Dabei entstehen neue Teilchen Diese erreichen die Erdoberfläche: einige 100 pro m 2 in jeder Sekunde meist Myonen µ Wie hat man das entdeckt??

13 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) Gas Ziel: Messung der Stärke der ionisierenden Strahlung Teilchenspur Ionen werden erzeugt

14 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

15 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

16 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

17 Die Zeit vergeht. es werden neue Messgeräte entwickelt: Nebelkammer (übersättigtes Gas #"entlang einer Spur werden Moleküle ionisiert, an denen sich Tröpfchen bilden können) Photographische Platten Geiger-Müller-Zählrohr 1937 wird in Nebelkammeraufnahmen ein neues Teilchen gefunden Masse des Teilchens messbar durch: Tröpfchendichte Krümmung der Spur in einem Magnetfeld Nebelkammeraufnahme zur Entdeckung des Positrons

18 Entdeckung des Myons 1937 wird in Nebelkammeraufnahmen ein neues Teilchen gefunden 200x schwerer als ein Elektron aber leichter als das Proton! Mesotron (griechisch f. in der Mitte liegend ) Die Entdeckung passte zunächst zu einer theoretischen Vorhersage des Pions...aber einige Eigenschaften passten nicht... erst 1947 wird es als das Myon µ 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

19 Übersicht Ein kurzer Ausflug vom Weltall in die Welt des unsichtbaren Kleinen Ein prominentes Teilchen stellt sich vor: Das Myon Herkunft Entdeckung ein paar interessante Eigenschaften Nachweis Begegnungen im Alltag

20 Ein kleines Quiz - Teil 3: Myonen auf der Erdoberfläche Manche Teilchen kann man nur auf der Erde messen, weil sie wahnsinnig schnell sind. Unsinn. Je langsamer sich Teilchen bewegen, umso besser kann ich sie doch sehen. Unsinn. Die Reichweite von Teilchen hat doch nichts mit ihrer Schnelligkeit zu tun. Stimmt. Wären manche Teilchen langsamer, würden sie gar nicht auf der Erde ankommen.

21 Schneller als Einstein erlaubt? Relativitätstheorie im Teilchenphysiker-Alltag Zeitdilatation: Bewegte Uhren gehen langsamer Längenkontraktion: Bewegte Maßstäbe sind verkürzt man altert langsamer (Zwillingsparadoxon) 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% der Lichtgeschwindigkeit " ein kleines Beispiel

22 Schneller als Einstein erlaubt? ganz klassisch: s = v t d.h. in t = 2.2*10-6 s und v = 0.99*3*10 8 m/s kämen die Myonen in einer mittleren Lebensdauer s = 0.99*3*2.2 *10 2 m = 653 m weit relativistischer Gamma-Faktor: Betrachtung aus unserer Sicht Betrachtung Myon-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 Die Zeit läuft normal " = 2.2x10-6 sec. aber die Flugstrecke scheint verkürzt: s = s/# = 10km/7 = 1.4 km Myonen, die ca. 2 mittlere Lebensdauern leben erreichen die Erde

23 Übersicht Ein kurzer Ausflug vom Weltall in die Welt des unsichtbaren Kleinen Ein prominentes Teilchen stellt sich vor: Das Myon Herkunft Entdeckung ein paar interessante Eigenschaften Nachweis Begegnungen im Alltag

24 Ein kleines Quiz - Teil 4: WANTED: Myon! Dead or Alive! Myonen können durch 5 Stockwerke eines Hauses durchfliegen! wahr falsch Man kann Myonen in einer Kaffeekanne nachweisen! wahr falsch Oder in einem Stück durchsichtigen Kunststoffs? wahr falsch

25 Die Funkenkammer Kosmische Strahlung Triggerdetektor + 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

26 Cerenkov Effekt Analog zum Mach schen Überschallkegel v Flugzeug < v Schall v Flugzeug = v Schall v Flugzeug > v Schall

27 Cerenkov Effekt Analog zum Mach schen Überschallkegel v Flugzeug > v Schall Bedingung: v Teilchen > c Medium (Lichtgeschwindigkeit im Medium) Das Teilchen strahlt Photonen ab (Cerenkov-Strahlung) "Lichtkegel entsteht

28 Myonen im Wasser Der Cerenkoveffekt findet sogar im Wasser statt: mit dem blossen Auge nicht unbedingt sichtbar $Benutzung von Photomultipliern: $Umwandlung von Photonen in Spannungspulse $diese kann man z.b. mit einem Oszilloskop/Voltmeter messen

29 Myonen in viel Wasser Das ganze in groß: Super-Kamiokande in Japan grosser Wassertank aussen mit Photomultipliern bestückt "#iese messen das Cerenkov-Licht der Myonen 39m 42m

30 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

31 Myonen im Teilchendetektor Myonen durchdringen ein 5- stöckiges Gebäude... also auch... alle inneren Lagen eines grossen Teilchendetektors. wir sehen uns heute Nachmittag wieder..

32 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

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