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Entdeckung und Eigenschaften des Myons

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 - )

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Entdeckung und Eigenschaften des Myons

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Presentation Transcript

  1. Entdeckung und Eigenschaften des Myons Björn Hillen 09.11.04 Zum Seminar Kernphysik

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

  3. 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

  4. 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

  5. Eine Verwechselung

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

  7. 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 großfür ein stark wechselwirkendes Teilchen • 1947 wird erst das Pion von Powell entdeckt

  8. 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

  9. 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)

  10. So entdeckt man ein neues Teilchen schematische Skizze einer Nebelkammer ab 1931 nach C. Wilson

  11. So entdeckt man ein neues Teilchen Anderson bei seiner Nebelkammer

  12. 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)

  13. 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

  14. 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

  15. So entdeckt man ein neues Teilchen • 0,35 cm Bleiplatte in Bildmitte • 1,8 bar Argon • umgerechnet 11,5 cm Reichweite • vermutlich Proton

  16. So entdeckt man ein neues Teilchen • positives Teilchen • Falls es ein Proton ist: 150 MeV; v = 0,5c

  17. 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)

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

  19. So entdeckt man ein neues Teilchen • 1937: Nach weiteren Messungen mit einer 1 cm Platinplatte, ergab sich: Anfangsenergie gegen verlorene Energie relativer Energieverlust

  20. 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

  21. Herkunft der Myonen

  22. Eigenschaften des Myons heute

  23. 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;

  24. Eigenschaften des Myons heute Beim Einfang eines Myons durch Materie: Stürzt das Myon in den Kern: µ- + p n + vµ

  25. 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

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

  27. 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/

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