Entdeckung und Eigenschaften des Myons

Präsentation zum Thema: "Entdeckung und Eigenschaften des Myons"—  Präsentation transkript:

1 Entdeckung und Eigenschaften des Myons
Björn Hillen Zum Seminar Kernphysik

2 Inhalt Eine Verwechselung So entdeckt man ein neues Teilchen
Eigenschaften des Myons heute Das Myonenexperiment

3 Eine Verwechselung 1932 war Welt der Kernphysik in Ordnung (, p, n, e-) Die QED war bekannt: Warum stoßen sich die Protonen im Kern nicht ab?  Es gibt eine starke Kernkraft Dann Idee von Hideki Yukawa: Starke Wechselwirkung wird durch ein Austauschteilchen vermittelt

4 Eine Verwechselung Yukawas Vorstellung:
Dies ist möglich, wenn Energieunschärfe Et < h/2 nicht verletzt wird. Bei r  ct < 2 fm ist m  200 MeV/c2

5 Eine Verwechselung Wechsel-wirkung stark elektro-magnetisch
Austausch-teilchen Meson (Pion) Photon Reichweite < 2 fm unendlich Masse ~200 MeV/c2

6 Eine Verwechselung Entdeckung eines Teilchens 1937 in der kosmischen Strahlung von Anderson, Neddermeyer m=106MeV/c2 Halbwertszeit:  = 2,2µs

7 Eine Verwechselung Einen Monat später kommt der Vorschlag von Oppenheimer und Serber: gefundenes Teilchen = Yukawas Teilchen 1943 glaubt Heisenberg noch immer daran 1945 entscheidendes Experiment: Reichweite des Teilchens in Eisen ist 1012 mal zu groß für ein stark wechselwirkendes Teilchen 1947 wird erst das Pion von Powell entdeckt

8 Eine Verwechselung Probleme: Lösung: keine starke Wechselwirkung
Lebensdauer mindestens 100 mal zu lang Spin ist halbzahlig Lösung: Myon ist ein neues unbekanntes Teilchen Entstehung: -  - + µ ; +  + + µ Zerfall: µ-  e- + e + µ; µ+  e+ + e + µ

9 So entdeckt man ein neues Teilchen
Wichtige Vorarbeit für Anderson und Neddermeyer: 1929: kosmische Strahlung hinterlässt Spuren in Nebelkammern (Skobelyzyn) 1929: kosmische Strahlung ist auch auf Meereshöhe direkt zu messen (Bothe und Kolhörster) 1932: 40% der kosmischen Strahlung durchdringen 1 m Blei (Rossi)

10 So entdeckt man ein neues Teilchen
Drücken und dann loslassen. Dadurch schnelle, also adiabatische Expansion des Gases, dadurch kühlt sich Luft ab. Kalte Luft kann nicht so viel Flüssigkeit speichern wie die warme Luft vorher. Es entsteht daher ein übersättigt Gemisch, das an einem Kondensationskeim Tröpfchen ausbildet. Ein Kondensationskeim entsteht zum Beispiel durch Ionisation der Luft durch ein geladenes Teilchen. Daher können nur geladene Teilchen nachgewiesen werden. schematische Skizze einer Nebelkammer ab 1931 nach C. Wilson

11 So entdeckt man ein neues Teilchen
Anderson bei seiner Nebelkammer

12 So entdeckt man ein neues Teilchen
: Messungen von Millikan, Anderson und Kunze ergaben: fast alle Teilchen haben nur die Ladung ±e es gibt Teilchen mit MeV es gibt gleich viele positive und negative Teilchen 1934: Erste Messungen mit einer Bleiplatte in der Nebelkammer (Anderson und Neddermeyer)

13 So entdeckt man ein neues Teilchen
3 e- und 3 e+ bei einem Feld von B = 0,79 T Energien von links nach rechts: 3,5; 55; 190; 78; 70; 90 MeV Magnetfeld in die Sichtebene hinein, dadurch Krümmung der Flugbahn  Impuls Originalbild immer links hier soll Fig 1 von physikal review 1936 hin.

14 So entdeckt man ein neues Teilchen
0,35 cm Bleiplatte in Bildmitte 8 e+ bzw. e- treffen auf das Blei auf mehr als 24 e+ und e- treten aus dem Blei aus hier soll Fig 3 von physikal review 1936 hin.

15 So entdeckt man ein neues Teilchen
0,35 cm Bleiplatte in Bildmitte 1,8 bar Argon umgerechnet 11,5 cm Reichweite vermutlich Proton hier soll Fig 7 von physikal review 1936 hin.

16 So entdeckt man ein neues Teilchen
positives Teilchen Falls es ein Proton ist: 150 MeV; v = 0,5c hier soll Fig 8 von physikal review 1936 hin.

17 So entdeckt man ein neues Teilchen
3 Spuren schwerer Teilchen Eines durchdringt die Bleiplatte und ist positiv geladen Proton sollte aber bei 1 MeV nur 2 cm weit kommen (hier 5 cm) hier soll Fig 13 von physikal review 1936 hin.

18 So entdeckt man ein neues Teilchen
Folgerung nach 9188 Aufnahmen:  123 beobachtete „Protonen“ sind zu viel

19 So entdeckt man ein neues Teilchen
1937: Nach weiteren Messungen mit einer 1 cm Platinplatte, ergab sich: Fig 1 und fig 2 aus „Note on the Nature of Cosmic ray particles“ Anfangsenergie gegen verlorene Energie relativer Energieverlust

20 So entdeckt man ein neues Teilchen
Letzter Beweis: Für p ist Ionisation fach zu klein bzw. Reichweite wäre <0,2mm Für e+ ist Ionisation zu groß bzw. Reichweite wäre >30m Also: Teilchen mit Masse von 240e- und Energie von 10 MeV Fig 1 aus Letters to the editor

21 Herkunft der Myonen

22 Eigenschaften des Myons heute
Teilchen Ladung Spin Masse in MeV Halbwertzeit in µs µ+ +1 105,66 2,2 µ- -1

23 Eigenschaften des Myons heute
Aufnahmen des Zerfallsprozesses in einer Fotoemulsion :     e alle µ haben gleiche Energie  Pion zerfällt in nur 2 Teilchen -  - + µ µ-  e- + e + µ;

24 Eigenschaften des Myons heute
Beim Einfang eines Myons durch Materie: Stürzt das Myon in den Kern: µ- + p  n + vµ Teilchen e- µ- m/me 1 207 Bohrradius in fm 53000/Z 256/Z Ionisationsenergie für Z = 1 13,6 eV 2,79 keV E(n=21) für Z = 20 4,1 keV 837 keV

25 Das Myonenexperiment µ entsteht in 15 km Höhe
Selbst bei v = c beträgt die Halbwertzeit für µ nur umgerechnet 660m  Auf der Erdoberfläche sollten kaum µ existieren aber bei v = 0,9994 c ist  = (1-v2/c2)-1/2  28,87  Lebensdauer ist dann 63,5µs  µ können auf der Erdoberfläche beobachtet werden Experiment stimmt exakt mit Relativitätstheorie überein Einer der ersten Beweise der speziellen Relativitätstheorie

26 Ein Anwendungsbeispiel
Beweis, dass es keinen größeren unbekannten Hohlraum als etwa 1m3 in der Cheopspyramide gibt.

27 Literatur physical review: http://prola.aps.org
physical review vom (Cloud chamber of cosmic rays at 4300 meters elevation and near sea-level) physical review vom (note on the nature of cosmic-ray particles) Letters to the editor 1938 reviews of modern physics von Juli/Oktober 1939 (Composition of cosmic ray) Fotos: