Messung kosmischer Myonen

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Messung kosmischer Myonen"

Imke Schmitt
vor 9 Jahren
Abrufe

1 Messung kosmischer Myonen - Fortbildung für Lehrkräfte Belina von Krosigk Prof. Dr. Kai Zuber, Arnd Sörensen

2 Kosmische Strahlung 2

3 Kosmische Teilchenschauer Primäre kosmische Strahlung: Primäre aus allen Richtungen auf Atmosphäre ca. 85% Protonen ca. 12% α-teilchen (4He-Kerne) ca. 1% schwere Atomkerne ca. 2% Elektronen Quellen u.a.: (DESY), 3

4 Kosmische Teilchenschauer Primäre Sekundäre kosmische Strahlung: ausgelöst durch Stöße primärer Teilchen mit Atomen der Erdatmosphäre in ~ 15 km Höhe nur wenige Teilchen erreichen den Erdboden ca. 90% Myonen auβerdem: Neutrinos Protonen Quellen u.a.: (DESY), Neutronen 4

5 Das Standardmodell der Teilchen Materieteilchen Austauschteilchen Myonen unterscheiden sich von Elektronen nur in zwei Punkten: sie sind ca. 200 mal schwerer sie können zerfallen (τ 2,197 μs) 5

6 Untersuchungsmöglichkeiten Direkter Test der Speziellen Relativitätstheorie Myon Lebensdauer: 2, s Flugstrecke, klassische Rechnung: l klass = v t c t 660m aber Fluss auf Meeresniveau: ϕμ 170 s m 1 vs. ~ 15 km! 2 6

7 Untersuchungsmöglichkeiten Direkter Test der Speziellen Relativitätstheorie Myon Lebensdauer: 2, s Flugstrecke, klassische Rechnung: l klass = v t c t 660m aber Fluss auf Meeresniveau: ϕμ 170 s m 1 vs. ~ 15 km! 2 7

8 Untersuchungsmöglichkeiten Direkter Test der Speziellen Relativitätstheorie Myon Lebensdauer: 2, s Flugstrecke, klassische Rechnung: l klass = v t c t 660m aber Fluss auf Meeresniveau: ϕμ 170 s m 1 vs. ~ 15 km! 2 Flugstrecke, relativistische Rechnung: l rel = v t = c 25 km (Zeitdilatation) mit: E = 4 GeV m 105,7 MeV p = = m c E m c

9 Untersuchungsmöglichkeiten Direkter Test der Speziellen Relativitätstheorie Myon Lebensdauer: 2, s Flugstrecke, klassische Rechnung: l klass = v t c t 660m aber Fluss auf Meeresniveau: ϕμ 170 s m 1 vs. ~ 15 km! 2 Flugstrecke, relativistische Rechnung: l rel = v t = c 25 km (Zeitdilatation) mit: E = 4 GeV m 105,7 MeV p = = m c E m c

10 Teilchendetektion mittels Szintillations- und Cherenkov Licht 10

11 Licht ins Dunkle bringen Schülerexperimente zur Ratenmessung kosmischer Teilchen SzintillationszählerExperiment KamiokannenExperiment 11

12 Licht ins Dunkle bringen Grundlegendes Messprinzip Datenauslese Detektor Datennahme 12

13 Licht ins Dunkle bringen Das Szintillationszähler-Experiment Der Detektor aktives Medium: Plastikszintillator Lichtleiter Photomultiplier (PM) Hochspannungsversorgung (HV) 13

14 14

15 Licht ins Dunkle bringen Funktionsweise des Szintillators geladene Teilchen und Photonen mit genügend Energie regen beim Durchgang durch's Szintillationsmaterial Atome an beim Übergang des Elektrons zurück in den Grundzustand wird Licht emittiert das emittierte Licht liegt meist im UV Bereich 15

16 16

17 Licht ins Dunkle bringen Nutzung des Effekts der Totalreflektion für den Lichtleiter Grenzwinkel θg der Totalreflektion: 17

18 18

19 19

20 Licht ins Dunkle bringen Nutzung des Photoeffekts für den Photomultiplier (A. Einstein, Nobelpreis 1921) Elektronlawine wird erzeugt, mit N e, Anode ~ N e, prim N ed, sek 20

21 Licht ins Dunkle bringen PM Myon Lichtleiter Photonen DAQ HV Szintillationsdetektor (Schema) 21

22 Licht ins Dunkle bringen Das Szintillationszähler-Experiment Die DAQ-Karte verarbeitet das elektronische Signal verknüpft das Signal mit Zeitdaten & GPS-Koordinaten Über die Einstellung des Thresholds lassen sich Ereignisse zu niedriger Energie (Untergrund) rausfiltern: 22

23 Licht ins Dunkle bringen Das Szintillationszähler-Experiment Die DAQ-Karte Triggerbedingung: innerhalb von 200ns muss in beiden Platten ein Signal µ registriert werden durch Einstellen einer Triggerbedingung kann eine Richtungsmessung durchgeführt werden 23

24 Licht ins Dunkle bringen Das Szintillationszähler-Experiment Die Datenauslese mit Hilfe des Rechners können die Einstellungen für die DAQ vorgenommen werden nach der Messung können die Daten bearbeitet werden 24

25 Licht ins Dunkle bringen Grundlegendes Messprinzip Datenauslese Detektor Datennahme 25

26 Licht ins Dunkle bringen Das Kamiokannen-Experiment Der Detektor aktives Medium: Wasser Thermoskanne Photomultiplier (PM) 26

27 27

28 Licht ins Dunkle bringen Der Cherenkov-Effekt (P. Cherenkov, Nobelpreis 1958) c0 c sin = = v v n Cherenkov Licht im Kernreaktor Cherenkov-Licht entsteht, wenn sich ein geladenes Teilchen in Medium schneller bewegt, als Licht im Medium (v > c0/n) das Licht breitet sich kegelförmig mit Öffnungswinkel α aus Medien: Wasser, Gase, Eis α 28

Licht ins Dunkle bringen Das Kamiokannen-Experiment der PMT wandelt das schwache optische Signal in ein elektronisches Signal um und verstärkt es der Threshold

29 Licht ins Dunkle bringen Das Kamiokannen-Experiment der PMT wandelt das schwache optische Signal in ein elektronisches Signal um und verstärkt es der Threshold kann zur UntergrundUnterdrückung eingestellt werden eine Koinzidenzanalyse ist offline möglich µ über ein Oszilloskop können die Pulse direkt beobachtet werden 29

30 Licht ins Dunkle bringen Wassertank des Neutrino-Experiments Super-Kamiokande t Wasser > PMTs (je ø 51cm) Aufnahme eines Cherenkov Rings 30

31 31

32 Nachweis Ionisierender Strahlung 1911: Entwicklung der Nebelkammer durch C. T. R. Wilson. Die Kammer ist gefüllt mit übersättigtem Dampf. Ein ionisierendes Teilchen erzeugt beim Durchgang Tröpfchenspur. 32

33 Den Teilchen auf der Spur 33

34 Den Teilchen auf der Spur 34

35 Teilchen-Detektoren C.D. Anderson bei der Arbeit an seiner Nebelkammer: M. Gell-Mann, E.P. Rosenbaum: "The muon was the unwelcome baby on the doorstep, signifying the end of days of innocence" 35

36 Untersuchungsmöglichkeiten und Aufgaben für Schüler 36

37 Untersuchungsmöglichkeiten Warum messen wir überhaupt Myonen auf der Erde? die sekundäre kosmische Strahlung wird in der Atmosphäre in > 10 km Höhe erzeugt ca. 90% der kosmischen Teilchen auf Meeresniveau sind Myonen sie erreichen die Erdoberfläche mit einer mittleren Energie von ca. 4 GeV 1 2 Myon-Fluss auf Meeresniveau: ϕμ 170 s m Myon Lebensdauer: 2, s l klass = v t c t 660m 37

38 Untersuchungsmöglichkeiten Und kommen Myonen auch von der Seite? μ μ μ μ μ μ 38

39 Untersuchungsmöglichkeiten Winkelabhängigkeit Ergebnis Schülerarbeit 39

40 Untersuchungsmöglichkeiten Können Myonen durch Beton gestoppt werden? μ μ μ μ μ μ 40

41 Untersuchungsmöglichkeiten Einfluss vom umgebenden Material Ergebnis Schülerarbeit 41

42 Untersuchungsmöglichkeiten 42

43 Untersuchungsmöglichkeiten Welche Teilchen verursachen welche Spuren? DESY Nebelkammer 43

44 Recherche Möglichkeiten? 44

45 Recherche Möglichkeiten Höhere Strahlenbelastung in größeren Höhen Quelle: 45

46 Recherche Möglichkeiten Geringere Strahlenbelastung in Äquatornähe Quelle: 46

Recherche Möglichkeiten Das Magnetfeld der Erde als Regenschirm F L,B = q v B Quelle: http://www.polarlichtinfo.

47 Recherche Möglichkeiten Das Magnetfeld der Erde als Regenschirm F L,B = q v B Quelle: Die Abschirmung durch das Erdmagnetfeld ist am Effektivsten, wenn die Feldlinien parallel zur Erdoberfläche sind Äquatornähe 47

48 Recherche Möglichkeiten 48

49 49

Ähnliche Dokumente

Teilchen aus den Tiefen des Kosmos

Teilchen aus den Tiefen des Kosmos - Belina von Krosigk - 1 Bild: NASA Eine Frage, bevor wir in den Kosmos schauen... 2 Was sind eigentlich Teilchen? 3 Was sind Teilchen? 0,01m 10-9m 1/10.000.000 10-10m 1/10 10-14m 1/10.000 10-15m 1/10