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

Dies ist möglich, wenn Energieunschärfe Et < h/2nicht verletzt wird.

Bei r ct < 2 fm ist m 200 MeV/c2

Eine Verwechselung

Yukawas Vorstellung:

Eine Verwechselung

Wechsel-wirkung

stark elektro-magnetisch

Austausch-teilchen

Meson (Pion)

Photon

Reichweite < 2 fm unendlich

Masse ~200 MeV/c2

0

Eine Verwechselung

• Entdeckung eines Teilchens 1937 in der kosmischen Strahlung von Anderson, Neddermeyer

• m=106MeV/c2

• Halbwertszeit:

= 2,2µs

• 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

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

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

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

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

So entdeckt man ein neues Teilchen• 0,35 cm Bleiplatte in

Bildmitte

• 1,8 bar Argon

• umgerechnet 11,5 cm Reichweite

• vermutlich Proton

So entdeckt man ein neues Teilchen• positives Teilchen

• Falls es ein Proton ist:

150 MeV; v = 0,5c

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)

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:

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

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 ½ 105,66 2,2

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=21) 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 übereinEiner 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/