Entdeckung des Myons und des Pions in der kosmischen Strahlung
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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 – Helium-Kerne – Kerne mit Z ≥ 3 – Elektronen – Photonen - 85% 12% 1-2% 1-2% 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 – γ ≃ 2,7 (1010 eV < E < 1016 eV) – γ ≃ 3,1 (1016 eV < E < 1019 eV) – γ ≃ 2,5 (E > 1019 eV) Fluss der Primärteilchen in Abhängigkeit ihrer Energie Energiespektrum der kosmischen Strahlung. Y-Achse wurde mit E2,5 skaliert. Energie (eV) Luftschauer • Primärteilchen erzeugen beim Auftreffen auf die Atmosphäre Sekundärteilchen • Bei höheren Energien • Die Pionen zerfallen anschließend in Myonen hallo Geschichtliches • 1932: 4 Teilchen (γ, p, n, e-) • 1934: Hedeki Yukawa Wechselwirkung Austauschteilchen Reichweite Masse stark em Meson Photon ca. 1,4 fm unendlich ? 0 Hideki Yukawa (1907 – 1981) 1949 Nobelpreis Feynman-Diagramm für die Proton-NeutronWechselwirkung 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, τ = 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: π± Powell • Photografische Emulsionen – Verschiedene Berge (bis 5600 m) – Flugzeuge (bis 9100 m) • m = 139,6 MeV/c2 τ = 2,6 · 10-8 s • In Photoplatte beobachteter Zerfall • Cecil Frank Powell (1903 – 1969) • 1950 Nobelpreis e Beispiele für Zerfälle von Pionen in Myonen. Die Myonen zerfallen anschließend in Elektronen µ π Das neutrale Pion • 1950: π0 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 τ = 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.: Helizitäten der emittierten Leptonen (s = dicke Pfeile, p = dünne Pfeile) • Das π+ hat Spin-0 Die Spins der geladenen Leptonen und der Neutrinos müssen entgegengesetzt sein Zerfall des Pions • e+, µ+ sollten rechtshändig sein (Antifermionen) • Massendifferenz zum Pion e+ relativistisch (∆m groß) µ+ nichtrelativistisch (∆m klein) • Folgerung: Zerfall des Pions in Positron ist stark unterdrückt Mesonenoktett Ordnung der Mesonen nach Quarkstruktur I3 (x-Achse) und S (y-Achse) Ladung ergibt sich aus der Gell-Mann-Nishijima-Relation
