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– 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%

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

1936 Nobelpreis

Kosmische Strahlung

• Energiebereich der Primärstrahlung– ca. 106 eV bis über 3 ¢ 1020 eV

• Teilchenfluss

– ' 2,7 (1010 eV < E < 1016 eV)– ' 3,1 (1016 eV < E < 1019 eV)– ' 2,5 (E > 1019 eV)

Fluss der Primärteilchen in Abhängigkeit ihrer Energie

Energie (eV)

Energiespektrum der kosmischen Strahlung. Y-Achse wurde mit E2,5 skaliert.

Luftschauer

• Primärteilchen erzeugen beim Auftreffen auf die Atmosphäre Sekundärteilchen

• Bei höheren Energien

• Die Pionen zerfallen anschließend in Myonen

hallo

Geschichtliches

• 1932: 4 Teilchen (, p, n, e-)

• 1934: Hedeki Yukawa

Wechsel-wirkung

stark em

Austausch-teilchen

Meson Photon

Reichweite ca. 1,4 fm unendlich

Masse ? 0

Hideki Yukawa (1907 – 1981)

1949 Nobelpreis

Feynman-Diagramm für die Proton-Neutron-Wechselwirkung durch Austausch eines Pions

Unschärferelation

Energieverletzung nicht beobachtbar, wenn

Mit R = 1,4 fm erhält man für die Masse des Pions

Entdeckung des Myons

• 1937: Anderson

• Nebelkammeraufnahmen

• m = 106 MeV, = 2,2 ¢ 10-6 s

• Yukawa‘s Meson? Nein!– Keine starke Wechselwirkung – Lebensdauer zu lang– Halbzahliger Spin– (Nur positive und negative Ladung)

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

Schematische Darstellung einer Nebelkammer

Das Myon heute

• Lepton

• Fermion

• Unterliegt der schwachen und der elektromagnetischen Wechselwirkung

• Zerfälle

Entdeckung des Pions

• 1947: § Powell

• Photografische Emulsionen – Verschiedene Berge (bis 5600 m)– Flugzeuge (bis 9100 m)

• m = 139,6 MeV/c2 = 2,6 ¢ 10-8 s

• In Photoplatte beobachteter Zerfall

• Cecil Frank Powell (1903 – 1969)

• 1950 Nobelpreis

Beispiele für Zerfälle von Pionen in Myonen.

Die Myonen zerfallen anschließend in Elektronen

Das neutrale Pion

• 1950: 0 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 = 0,8 ¢ 10-16 s

Zerfall des Pions

• Mögliche Zerfälle

• Erster Zerfall ist stark unterdrückt

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

Zerfall des Pions

Relativistisch:

Nicht-relativ.:

• Das + hat Spin-0 Die Spins der geladenen Leptonen und der Neutrinos müssen entgegengesetzt sein

Helizitäten der emittierten Leptonen (s = dicke Pfeile, p = dünne Pfeile)

Zerfall des Pions

• e+, + sollten rechtshändig sein (Antifermionen)

• Massendifferenz zum Pion e+ relativistisch (m groß)

+ nichtrelativistisch (m klein)

• Folgerung: Zerfall des Pions in Positron ist stark unterdrückt

Mesonenoktett

Ordnung der Mesonen nach I3 (x-Achse) und S (y-Achse)

Ladung ergibt sich aus der Gell-Mann-Nishijima-Relation