entdeckung und eigenschaften des myons björn hillen 09.11.04 zum seminar kernphysik
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Entdeckung und Eigenschaften des Myons
Björn Hillen
09.11.04
Zum Seminar Kernphysik
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Inhalt
• Eine Verwechselung
• So entdeckt man ein neues Teilchen
• Eigenschaften des Myons heute
• Das Myonenexperiment
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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
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Dies ist möglich, wenn Energieunschärfe Et < h/2nicht verletzt wird.
Bei r ct < 2 fm ist m 200 MeV/c2
Eine Verwechselung
Yukawas Vorstellung:
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Eine Verwechselung
Wechsel-wirkung
stark elektro-magnetisch
Austausch-teilchen
Meson (Pion)
Photon
Reichweite < 2 fm unendlich
Masse ~200 MeV/c2
0
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Eine Verwechselung
• Entdeckung eines Teilchens 1937 in der kosmischen Strahlung von Anderson, Neddermeyer
• m=106MeV/c2
• Halbwertszeit:
= 2,2µs
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• 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
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Eine Verwechselung
• Probleme:– 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
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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)
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So entdeckt man ein neues Teilchen
schematische Skizze einer Nebelkammer ab 1931 nach C. Wilson
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So entdeckt man ein neues Teilchen
Anderson bei seiner Nebelkammer
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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)
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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
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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
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So entdeckt man ein neues Teilchen• 0,35 cm Bleiplatte in
Bildmitte
• 1,8 bar Argon
• umgerechnet 11,5 cm Reichweite
• vermutlich Proton
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So entdeckt man ein neues Teilchen• positives Teilchen
• Falls es ein Proton ist:
150 MeV; v = 0,5c
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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)
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So entdeckt man ein neues Teilchen
Folgerung nach 9188 Aufnahmen:
123 beobachtete „Protonen“ sind zu viel
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So entdeckt man ein neues Teilchen
• 1937: Nach weiteren Messungen mit einer 1 cm
Platinplatte, ergab sich:
Anfangsenergie gegen verlorene Energie relativer Energieverlust
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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
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Herkunft der Myonen
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Eigenschaften des Myons heute
Teilchen Ladung Spin Masse in MeV
Halbwertzeit in µs
µ+ +1 ½ 105,66 2,2
µ- -1 ½ 105,66 2,2
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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;
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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=21) für
Z = 20
4,1 keV 837 keV
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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 übereinEiner der ersten Beweise der speziellen Relativitätstheorie
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Ein Anwendungsbeispiel
Beweis, dass es keinen größeren unbekannten Hohlraum als etwa 1m3 in der Cheopspyramide gibt.
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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/