Entdeckung und Eigenschaften des Myons Björn Hillen 09.11.04 Zum Seminar Kernphysik

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

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

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

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

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

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

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

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)

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

So entdeckt man ein neues Teilchen Anderson bei seiner Nebelkammer

So entdeckt man ein neues Teilchen 1931-1933: Messungen von Millikan, Anderson und Kunze ergaben: fast alle Teilchen haben nur die Ladung ±e es gibt Teilchen mit 20.000 MeV es gibt gleich viele positive und negative Teilchen 1934: Erste Messungen mit einer Bleiplatte in der Nebelkammer (Anderson und Neddermeyer)

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.

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.

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.

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.

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.

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

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

So entdeckt man ein neues Teilchen Letzter Beweis: Für p ist Ionisation 30-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

Herkunft der Myonen

Eigenschaften des Myons heute Teilchen Ladung Spin Masse in MeV Halbwertzeit in µs µ+ +1 ½ 105,66 2,2 µ- -1

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;

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

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

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

Literatur physical review: http://prola.aps.org physical review vom 15.08.36 (Cloud chamber of cosmic rays at 4300 meters elevation and near sea-level) physical review vom 15.05.37 (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: http://hep.ucsb.edu/people/hnn/physicists.html http://www.heavynamation.de/physik/myon/