Entdeckung des Myons und des Pions in der kosmischen Strahlung Daniel Ebeling

Überblick Kosmische Strahlung Geschichtliches Entdeckung des Myons Entdeckung des Pions

Kosmische Strahlung Entdeckung Primärstrahlung Viktor Franz Hess 1912 Intensität der Strahlung hängt von Höhe ab Heißluftballon 5000 m Primärstrahlung Protonen - 85% Helium-Kerne - 12% Kerne mit Z ¸ 3 - 1-2% Elektronen - 1-2% Photonen - 0,1% 1912 entdeckte, Viktor Franz Hess die kosmischen Strahlung Intensität hängt von der Höhe ab Heißluftballon 5000m Radioaktivität 1896 Henry Becquerel Unterteilung in Primär- und Sekundärstrahlung Primärstrahlung Vollständig inonisierte Teilchen Alle Kerne des Periodensystems, bis zu den Actinoiden Lässt auf die Quellen schließen

Viktor Franz Hess (1883 – 1964) vor der Entdeckung der kosmischen Strahlen 1936 Nobelpreis

Kosmische Strahlung Energiebereich der Primärstrahlung Teilchenfluss ca. 106 eV bis über 3 ¢ 1020 eV Teilchenfluss g ' 2,7 (1010 eV < E < 1016 eV) g ' 3,1 (1016 eV < E < 1019 eV) g ' 2,5 (E > 1019 eV) Tevatron Fermilab USA 10^15 eV LHC Cern Genf 10^17 EV

Fluss der Primärteilchen in Abhängigkeit ihrer Energie

Energiespektrum der kosmischen Strahlung Energiespektrum der kosmischen Strahlung. Y-Achse wurde mit E2,5 skaliert. Knie bei 4*10^15 eV Blau – leichte Primärteilchen Rot – schwere Elemente (Knie bei 10^17 eV) Schwarz – Summe aus leichten und schweren Elementen Grüne Quadrate – Auswertung der sekundären Hadronen und Myonen Linien – Auswertung der sekundären Elektronne und Myonen Grund für Knie nicht besonders gut erforscht. Könnte Grenzenergie einer Supernovaexplosion sein Energie (eV)

Luftschauer Primärteilchen erzeugen beim Auftreffen auf die Atmosphäre Sekundärteilchen Bei höheren Energien Die Pionen zerfallen anschließend in Myonen

X_o = elektromagnetische Strahlungslänge ist die Länge in der Elektronen 63% ihrer Energie verlieren \lambda_int = hadronische Wechselwirkungslänge ist die Länge in der ein Hadron mit einer Wahrscheinlichkeit von 63% aufschauert \lambda ist viel größer als X_0 Hans Blümer und Karl Heinz Kampert – Die suche nach den Quellen der kosmischen Strahlung KASCADE (Karlsruhe Schower Core and Array Detector) hallo

Geschichtliches 1932: 4 Teilchen (g, p, n, e-) 1934: Hedeki Yukawa Wechsel-wirkung stark em Austausch-teilchen Meson Photon Reichweite ca. 1,4 fm unendlich Masse ? Bis 1932 waren nur 4 verschiedene Elementarteilchen bekannt: Photon Proton Neutron und Elektron. Im selben Jahr fand Anderson das Positron 1934 entwickelte Yukawa eine Theorie der starken WW. Er kombinierte Relativität und Quantentheorie, um die starke WW durch den Austausch neuer massiver Teilchen, den Pi-Mesonen oder Pionen zu beschreiben. Elektromagnetische WW  Austauschteilchen: Photon  unendliche Reichweite (wahrscheinlich) Starke Kraft  Austauschteilchen: Meson (mittelschwer)  endliche Reichweite

Hideki Yukawa (1907 – 1981) 1949 Nobelpreis

Energieverletzung nicht beobachtbar, wenn Feynman-Diagramm für die Proton-Neutron-Wechselwirkung durch Austausch eines Pions Bei dieser Streuung wird der Energiesatz verletzt Das ist für einen kurzen Zeitraum durch Heisenbergs Unschärferelation erlaubt Wenn T kleiner ist als h/E wird keine Energieverletzung beobachtet Damit ergibt sich für die maximale Flugstrecke die das Teilchen während dieser Zeit zurücklegen kann R =cT Aus der Streuung von alpha-Teilchen weiß man, dass die Reichweite der starken Kraft etwa 1,4 Fermi beträgt So kann man die Masse des Pions zu etwa 140 MeV abschätzen Mesos = Mittelschwer Bemerkung: 1.Die Kernkräfte sind in Wirklichkeit komplizierter als die elektrischen Kräfte und werden durch den Mesonaustausch nicht adäquat beschrieben 2. Der Energiesatz ist in Feynman-Diagrammen nicht verletzt. Das ausgetauschte Feldquant ist kein reelles sondern ein virtuelles Teilchen, dessen Masse sich von der des reelen, freien Teilchens unterscheidet. Trotzdem bleibt die Schlussfolgerung richtig, dass massive Feldquanten Kräfte endlicher Reichweite vermitteln. Heute stellt man sich die starke WW als Austausch von Gluonen zwischen Quarks vor Unschärferelation Energieverletzung nicht beobachtbar, wenn Mit DR = 1,4 fm erhält man für die Masse des Pions

Entdeckung des Myons 1937: Anderson Nebelkammeraufnahmen m = 106 MeV, t = 2,2 ¢ 10-6 s Yukawa‘s Meson?  Nein! Keine starke Wechselwirkung Lebensdauer zu lang Halbzahliger Spin (Nur positive und negative Ladung) 1937 Anderson Neddermeyer (West Coast) parallel zu Street Stevenson (East) Anderson hatte 5 Jahre zuvor das Positron entdeckt mit Hilfe einer Nebelkammer  1936 Nobelpreis zusammen mit Hess Lange Zeit war man der Meinung Yukawas Meson gefunden zu haben, doch stelle sich bald als Fehler heraus. 1945 Gruppe aus Rom (Conversi, Pancini, Piccioni) findet heraus, dass die sog. Mesonen nur sehr schwach mit Atomkernen wechselwirken. Außerdem fand man nur ein negatives und ein positives myon.  zur vollständigen Beschreibung der Wechselwirkung benötigt man aber auch ein neutrales Meson. Die Lebensdauer war 100 mal größer als von Yukawa vorausberechnet Myon hat Spin ½  Bosonen haben ganzzahligen Spin

Carl David Anderson (1905 – 1991) Nobelpreis 1936 (Positron)

Schematische Darstellung einer Nebelkammer Zunächst wird die Gummiblase zusammengepresst. Beim loslassen entsteht ein gesättigter Wasserdampf (bzw. Alkohol) oder auch Nebel Die vom Strahlerstift ausgesandten geladenen Teilchen bringen den Dampf zur Kondensation  Nebelspuren Anschließend werden die Nebelspuren photographiert Analog zu den Kondensstreifen, die ein Flugzeug am Himmel hinterläßt. Hier bilden die heißen Gasteilchen die Kondensationskeime Man sieht nur den Nebel nicht die Teilchen Zu Beginn wurden die Nebelkammern willkürlich expandiert und belichtet, was eine niedrige Trefferquote zur Folge hat. Später baute man dann ober- und unterhalb der Kammer Geigerzähler ein. Sobald die beiden Zählrohre eine Koinzidenz, also einen Teilchendurchgang nachweisen wird die Kammer über ein Relais expandiert und belichtet. Durch ein Magnetfeld kann man den Impuls des Teilchens bestimmen r=mv/qB Schematische Darstellung einer Nebelkammer

Das Myon heute Lepton Fermion Unterliegt der schwachen und der elektromagnetischen Wechselwirkung Zerfälle Lange Zeit stand die Frage im Raum wer hat das Myon bestellt. Heute ordnet man das Myon den Leptonen zu Drei Familien M(e) = 0,511 MeV m(e-neutrino) < 3*10e-6 MeV M(mu) = 105,7 MeV m(e-neutrino) < 0,19 MeV M(tau) = 1777,0 MeV m(e-neutrino) < 18,2 MeV Keine Ausdehnung (innehalb der Messgenauigkeit von 10e-18 m) Damit gehört es zu den Fermionen, also Teilchen mit Spin ½ Die geladenen Leptonen unterliegen der elektromagnetischen und der schwachen WW

Entdeckung des Pions 1947: p§ Powell Photografische Emulsionen Verschiedene Berge (bis 5600 m) Flugzeuge (bis 9100 m) m = 139,6 MeV/c2 t = 2,6 ¢ 10-8 s In Photoplatte beobachteter Zerfall Die geladenen Pionen wurden 1947 von Powell entdeckt Dafür hat er Photoplatten auf verschiedene Berge gebracht (bis in 5600m) oder in Flugzeugen positionert (9100m) Die geladenen Pionen haben eine Masse von 139,6 MeV und eine Lebensdauer von 2,6 10-8 s Lebensdauer entspricht einem Lichtweg von 7,8 m (vergleiche 660 m beim Myon). Die Pionen können den Erdboden trotz relativistischer efffekte nicht erreichen. Außerdem ist der Wirkunksquerschnitt von Pionen viel größer als der von Myonen, da sie stark wechselwirken. In den Photoplatten wurde folgernder Zerfall beobachtet

Cecil Frank Powell (1903 – 1969) 1950 Nobelpreis Das ist Cecil Frank Powell 1950 hat er den Nobelpreis für die Weiterentwicklung der photografischen Technik zur Analyse der kosmischen Strahlung und die Entdeckung des Pions bekommen Cecil Frank Powell (1903 – 1969) 1950 Nobelpreis

Beispiele für Zerfälle von Pionen in Myonen. Die Myonen zerfallen anschließend in Elektronen

Das neutrale Pion 1950: p0 Bjorklund Synchrozyklotron-Beschleuniger Entdeckung der Produktionsschwelle von Pionen in Wechselwirkungen zwischen beschleunigten Protonen (¸ 200 MeV) und Kohlenstoff- oder Beryllium-Targets m = 135,0 MeV/c2 t = 0,8 ¢ 10-16 s Das neutrale Pion wurde 1950 von Bjorklund und seiner Gruppe zum ersten mal künstlich in einem Synchrozyklotron-Beschleuniger erzeugt. Wenn die kinetische Energie der Protonen den Wert von 200 MeV übersteigt, nimmt die Anzahl der beobachteten Gamma-Paare im Experimetn stark zu. Die Masse der neutralen Pionen beträgt 135 MeV, damit sind sie leichter als die geladenen Pionen. Sie zerfallen nach einer Zeit von 0,8 10-16 s in Zwei Gamma Quanten

Zerfall des Pions Mögliche Zerfälle Erster Zerfall ist stark unterdrückt Zunächst würde man erwarten, dass das Pion auf zwei verschiedene Arten zerfallen kann. Zum einen ist der Zerfall in ein Elektron und Eletronneutrino möglich Zum anderen kann das Pion in Myon und Myonneutrino zerfallen Ein starker Zerfall ist nicht möglich, da es sich bei dem Pion um das leichteste Hadron handelt. Das Verhältnis der beiden Zerfälle N(e)/N(µ) liegt bei (1,230 +- 0,004) 10-4

Zerfall des Pions Mögliche Zerfälle Erster Zerfall ist stark unterdrückt Erklärung: Paritätsverletzung bei der schwachen Wechselwirkung

Zerfall des Pions Relativistische Fermionen (Antifermionen) sind bevorzugt links(rechts)-händig Die umgekehrten Zustände sind nicht verboten, aber unterdrückt Neutrinos (Antineutrinos) sind immer relativistisch und deshalb immer links(rechts)-händig Aus der Paritätsverletzung bei der schwachen Wechselwirkung folgt, dass Fermionen bevorzugt linkshändig emittiert werden. Linkshändig bedeutet negative Helizität (definiert als Projektion von Spin auf Impulsrichtung) J p/(|J| |p|) Linkshändig  Spin Impuls antiparallel Rechtshändig  Spin Impuls parallel Die umgekehrten Zustände sich nicht verboten aber mit dem Faktor 1-v/c unterdrückt Neutrinos sind annäherd masselos und deshalb immer relativistisch Man hat bisher nur linkshändige Neutrinos gemessen H=-1 Die Paritätsverletzung ist hier maximal

Zerfall des Pions Relativistisch: Nicht-relativ.: Das p+ hat Spin-0  Die Spins der geladenen Leptonen und der Neutrinos müssen entgegengesetzt sein Helizitäten der emittierten Leptonen (s = dicke Pfeile, p = dünne Pfeile) In dem Bild kann man die Helizitäten der emittierten Leptonen beobachten Spin ist durch dicke (doppel) Pfeile markiert Impuls ist durch einfach Pfeile markiert Neutrinos sind immer linkshändig Pion har Spin 0 Daraus folgt, dass die Spins von geladenem Lepton und Neutrino in entgegengesetze Richtung zeigen müssen Die geladenen Leptonen müssen also ebenfalls linkshändig sein

Zerfall des Pions e+, m+ sollten rechtshändig sein (Antifermionen) Massendifferenz zum Pion  e+ relativistisch (Dm groß)  m+ nichtrelativistisch (Dm klein) Folgerung: Zerfall des Pions in Positron ist stark unterdrückt Antifermionen sind allerdings bevorzugt rechtshändig je nach ihrer Geschwindigkeit 1-v/c

Mesonenoktett Ordnung der Mesonen nach I3 (x-Achse) und S (y-Achse) Ladung ergibt sich aus der Gell-Mann-Nishijima-Relation