Die Entdeckung von Pi- und My-”Mesonen“ - Institut für Kern

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Hauptseminar im WS 2006/07
Institut für Kern- und Teilchenphysik an der TU Dresden
„Bahnbrechende Experimente in der Kern- und Teilchenphysik bis 1975“
Die Entdeckung von Pi- und My-”Mesonen“
Michael Anders
Betreuer: Prof. Dr. Michael Kobel
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Gliederung
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1. Der Ausgangspunkt Anfang 1935
2. Entwicklungen in der Theorie bis 1937
2.1. Probleme im Verständnis der Kernkraft
2.2. Yukawa´s neue Idee
2.3. Ein „heavy particle“ wird postuliert
3. Ein neues Teilchen wird gefunden
3.1 Die kosmische Höhenstrahlung
3.2. Über den Energieverlust geladener Teilchen in Materie
3.3 Die Experimente von Anderson und Neddermeyer
3.4. Eine erste Massenabschätzung
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4. Neue Fragen werden aufgeworfen
4.1. Die Vorhersagen Tomonagas und Arakis (1940)
4.2. Das Experiment von Conversi, Pancini und Piccioni
4.3. Exkurs: Pionen und Myonen in Materie
5. Aus einem Teilchen werden zwei
5.1. Die Entdeckung von Lattes, Occhialini und Powell (1947)
5.2. Die Identifikation der Teilchen; Das neutrale Pion
6. Überblick
6.1. Zeittafel
6.2. Pionen und Myonen heute
6.3. Quellenverzeichnis
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1. Der Ausgangspunkt Anfang 1935
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bereits bekannte Teilchen (mit Jahr der Entdeckung):
- Elektron (1897)
- Proton (1919)
- Neutron (1932)
- Positron (1932)
1930: Pauli postuliert das Neutrino
1933/34: Fermi-Theorie des β-Zerfalls
1929 zum ersten Mal beobachtet: kosmische Strahlung
hinterlässt Spuren in der Nebelkammer – sogar auf
Meeresspiegelhöhe
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2. Entwicklungen in der Theorie bis 1937
2.1. Probleme im Verständnis der Kernkraft
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- 1933: Heisenberg versucht, die Kernkraft mit Hilfe der FermiTheorie des Beta-Zerfalls zu verstehen
- nimmt an: Kernkraft ist Kraft, die durch Austausch virtueller
Elektron-Neutrino-Paare vermittelt wird
- bereits bekannt: Nukleonenabstand in der Größenordnung
Femtometer --> ergab aber eine um viele Größenordnungen zu
kleine Kraft (Heisenberg errechnete mit den damals bekannten
Werten eine Bindungsenergie im meV-Bereich)
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Ein Statement von Bethe und Bacher zu Heisenbergs
Ergebnissen:
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„This highly unsatisfactory result is of course due to the extremely small
values of the constant which governs the beta-emission. However,
the general idea of a connection between beta-emission and nuclear
forces is so attractive that one would be very reluctant to give it up.“
(1936)
- kurze Zeit später: die Ladungsunabhängigkeit der Kernkraft wird
entdeckt – damit wird die Theorie Fermis hier nicht mehr
anwendbar (trotz Versuchen, sie zu „retten“: Zusatzkräfte,
Modifikationen an der Fermi-Theorie)
- Natur der Kernkraft blieb offen – Hauptproblem: man versuchte,
sie ausschließlich mit bekannten Teilchen zu erklären
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2.2 Yukawas neue Idee
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Hideki Yukawa (1907-1981)
1933: Hideki Yukawa beginnt Forschungen über Kernkraft,
ausgehend von Heisenbergs Modell, aber:
--> Frage: Welcher Natur sind die Austauschteilchen?
„I decided to carry [Heisenbergs] theory one step further ... By
confronting this difficult problem I committed myself to long days of
suffering... Is the new nuclear force a primary one? ... It seemed likely
that it was a third fundamental force unrelated to gravitation and
electromagnetism ... Perhaps the nuclear force could also find
expression as a field ... If one visualizes the force field as a game of
„catch“ between protons and neutrons, the crux of the problem would
be the nature of the „ball“ or particle.“
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Hideki Yukawa (1907-1981)
Idee: kein bekanntes Austauschteilchen heranziehen, sondern
Kraft untersuchen und daraus die Eigenschaften des eventuell
neuen Teilchens ableiten
innovativer Gedanke: Masse des Austauschteilchens invers
proportional zur Reichweite der Kraft
erste Veröffentlichung im November 1934 (math. Formalismus
aber noch mit vorläufigem Charakter)
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Ein kleiner Vergleich
Ein Vergleich:
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Maxwell-Theorie
Yukawa-Theorie
Coulombpotential
Yukawa-Potential
Teilchen: Photon
Masse: 0
Teilchen: „heavy particle“
(später: „Meson“)
Masse: μ
Reichweite: ∞
Reichweite:
es gilt:
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Erste Massenabschätzung mit μ=ħk/c:
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recht gutes Ergebnis (heutiger Wert: etwa 273 me)
Yukawas Leistungen:
a) Trennung der Kernkraft von der schwachen Wechselwirkung
b) erste gute Abschätzung der Masse “seines” Mesons
c) Hinweis auf Teilchen der kosmischen Strahlung
Was hat es mit diesen Teilchen auf sich?
--> nächste Kapitel
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3. Ein neues Teilchen wird gefunden
3.1. Die kosmische Höhenstrahlung
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primäre Höhenstrahlung besteht
zu 85% aus hochenergetischen
Protonen (bis zu 1011 GeV)
Primärteilchen erzeugt
Teilchenlawinen entlang der
Einfallsrichtung des Primärteilchens
Bsp: Proton mit 1015 eV erzeugt rd. 106 Sekundärteilchen,
davon etwa 80% Photonen, 18% Elektronen und Positronen,
1,7% Myonen und 0,3% Hadronen, darunter Pionen.
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Protonen stoßen mit Kernen der Atmosphäre,
dabei treten unter anderem folgende Reaktionen auf:
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- geladene Pionen zerfallen über
die schwache Wechselwirkung zu
Myonen und Myonneutrinos:
- Erzeugung der Myonen in ca. 10 km Höhe, Überschuss an
positiven Myonen (etwa fünf μ+ auf vier μ-)
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- hohe kinetische Energie, Maximum der Energieverteilung
bei etwa 2 GeV (etwa 20mal Ruheenergie)
--> dadurch hoch relativistisch, erreichen die Erdoberfläche
(obwohl cτ = 659m)
Myonenfluss auf Meeresspiegelhöhe rund 170 pro
Quadratmeter und Sekunde
--> schon früh erkannt: zwei “Komponenten” der
kosmischen Strahlung: eine “hard component” - Teilchen,
die Materialien unter geringem Energieverlust
durchdringen – und eine “soft component”
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3.2 Über den Energieverlust geladener Teilchen
in Materie
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Beschrieben hier im Wesentlichen durch zwei Gleichungen:
Bethe-Bloch-Formel, beschreibt näherungsweise den Energieverlust
durch Anregung und Ionisation
Bethe-Heitler-Formel, beschreibt den Energieverlust
hochrelativistischer Elektronen durch Bremsstrahlung
Beide Gleichungen waren Anderson und Neddermeyer bekannt –
wurden durch die beiden Forscher auch in eigenen Experimenten
bestätigt.
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Die Art und Größe des Energieverlustes eines Teilches ist im
Wesentlichen von seiner Energie, seiner Masse und seiner
Ladung abhängig.
Auftretende Prozesse: Ionisationsbremsung, Anregung,
Bremsstrahlung, Paarbildung --> Teilchenschauer
Abhängigkeit auch von Dichte des Mediums und der
Kernladungszahl.
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3.3 Die Experimente von Anderson und Neddermeyer
Carl D. Anderson
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Seth Neddermeyer
1936/37: Messungen des Energieverlustes von Teilchen der
kosmischen Strahlung mit einer
1 cm dicken Platinplatte in der
Nebelkammer
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Anderson und Neddermeyer untersuchten Teilchen
mit Impulsen von 100-500 MeV/c.
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--> Elektronen und Positronen müssten hochrelativistisch sein
--> nach Bethe-Heitler müsste dies einen hohen Energieverlust
im Platin nach sich ziehen -> Bildung eines Schauers
--> fanden jedoch auch Teilchen, die sich abweichend von der
Bethe-Heitler-Theorie verhielten:
- zeigten geringen Energieverlust in der Platinplatte
(„penetrating particles“) --> keine Schauer
--> schlossen daraus: es müssen Teilchen sein, die schwerer
sind als ein Elektron
--> Protonen schieden aus, denn Protonen mit diesen Impulsen
wären verhältnismäßig langsam und hätten damit mehr
ionisieren müssen (Ionisation wurde damals anhand der
Tröpfchendichte abgeschätzt)
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Anderson und Neddermeyer im März 1937:
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„There exist particles of unit charge with a mass
larger than that of a normal free electron and
much smaller than that of a proton“.
- „penetrating particles“ wurden schon vorher beobachtet, aber
Anderson und Neddermeyer konnten Protonen ausschließen;
bewegten sich außerdem in einem Energiebereich, in dem die
Bethe-Heitler-Theorie anerkannt war
(Zweifel unter Wissenschaftlern an der noch jungen QED bei
hohen Energien)
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3.4. Eine erste Massenabschätzung
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Ungefähr zur selben Zeit wie Anderson und Neddermeyer
arbeiteten Street und Stevenson am gleichen Problem.
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- maßen Ionisation und Impuls der Teilchen gleichzeitig
- Ionisation ist nach Bethe-Bloch eine Funktion der
Geschwindigkeit --> mit Impuls ist Teilchenmasse bestimmbar
- funktioniert am besten, wenn das Teilchen relativ langsam ist
(starke Abhängigkeit der Ionisation von der Geschwindigkeit)
--> möglichst Teilchen am Ende der Spur beobachten!
- arbeiteten mit (Anti-)Koinzidenz: Kammergas wurde expandiert
und Foto gemacht, wenn Teilchen einflog, aber die Kammer nicht
mehr verließ
- großer Bleiblock vor der Anordnung, um Schauerteilchen
abzufangen
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--> Ist dieses Teilchen das gesuchte Yukawa-Teilchen?
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4. Neue Fragen werden aufgeworfen
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4.1. Die Vorhersage Tomonagas und Arakis
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1940: Tomonaga und Araki zeigen, dass positive und negative
„Yukawa-Teilchen“ ein unterschiedliches Verhalten in Materie
zeigen müssen
Ihre Vorhersagen:
Negative Teilchen werden durch Atome eingefangen, fallen rasch
auf die niedrigste Schale und haben dort sehr kleine Bahnradien
--> großer Überlapp mit dem Kern, muss als
Yukawa-Teilchen sofort wechselwirken
--> Absorption vor Zerfall
Positive Teilchen kommen zwischen den
Atomen „zur Ruhe“ und zerfallen dort.
Shinichiro Tomonaga
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4.2. Das Experiment von Conversi, Pancini und Piccioni
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- erste gute Lebensdauermessung der neuen Teilchen durch
Rossi ergibt 2,2*10-6 s
- in den Kriegsjahren untersuchten Conversi, Pancini und Piccioni
den Zerfall der neuen Teilchen, die in Materie „stecken bleiben“
- nutzten dazu eine von Rossi entwickelte Apparatur, die positive
oder negative Teilchen aus der kosmischen Strahlung filterte
- Ergebnis: positive Teilchen verhalten sich wie vorhergesagt und
zerfallen, negative Teilchen zerfallen im Eisen nicht, sondern
werden absorbiert – wie vorhergesagt
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- jedoch trat im Kohlenstoff der Zerfall auf --> Widerspruch!
Diese Teilchen konnten keine Yukawa-Teilchen sein.
Zusätzliche Verwirrung durch ein Ereignis, aufgenommen von
Perkins (1947): Ein negatives Teilchen wird von einem leichten
Kern eingefangen, worauf dieser in drei Bruchstücke zerreißt.
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4.3. Exkurs: Pionen und Myonen in Materie
Was geschieht, wenn ein negatives Myon
in Materie gestoppt wird? (Fermi-Teller-Modell)
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1. Abbremsung auf Energie von wenigen keV:
Die Myonen sind noch schneller als die Valenzelektronen der
atomaren Streuzentren – Dauer 10-10-10-9 s
2. Von niedriger Energie bis zur „Ruhe“:
In Metallen wechselwirken die Myonen gut mit dem Elektronengas,
werden sehr schnell gebremst: Dauer 10-13 s
3. Einfang durch ein Atom
4. Myon geht in den 1s-Zustand über:
Alle myonischen Zustände sind unbesetzt, dadurch sehr schneller
Prozess: Dauer <10-12 s
Strahlungs – und Auger-Übergänge, bei schweren Kernen sogar
Kern-Auger-Effekt möglich.
5. Das Myon “verschwindet.“
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Zwei Möglichkeiten des “Verschwindens” des
negativen Myons: Zerfall oder Einfang.
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Zerfall: μ- → e- + υe + υμ
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Einfang: μ- + p → n + υμ
Kernüberlapp proportional zur Teilchenmasse (je schwerer,
desto geringer der „Bahn“radius des Teilchens
(folgt mit Bohrschem Atommodell)
Myon unterliegt nicht der starken Wechselwirkung – dadurch im
Wasserstoffatom Zerfall 2500 mal wahrscheinlicher als Einfang.
Wahrscheinlichkeiten etwa gleich bei Z=11, bei Z=50 Einfang 25
mal wahrscheinlicher als Zerfall.
Analog für negative Pionen, aufgrund der etwas größeren Masse
Kernüberlapp etwas größer. Auf Grund der Starken
Wechselwirkung aber sehr viel rascherer Einfang.
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Ergebnisse anderer Experimente:
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- 1940: Mesonen aus kosmischer Strahlung zerfallen in Elektronen
- Massenbestimmung etwas genauer: etwa 200 Elektronenmassen
offene Fragen zum Anfang des Jahres 1947:
- gemessene Lebensdauer ist viel größer als es die Theorie der
Yukawa -Teilchen vorhersagt
- Verhalten der Mesonen bei Streuungen abweichend von den
Erwartungen
Die Lösung brachte ein Forscherteam aus Bristol:
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5. Aus einem Teilchen werden zwei
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5.1. Die Entdeckung von Lattes, Occhialini und Powell
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Nutzten Fotoemulsionen, die Experimente fanden
unter anderem in 5500m Höhe in den
bolivianischen Anden statt
zeigten: es handelt sich in Wahrheit um zwei
unterschiedliche Teilchen, bei denen eins ein
Zerfallsprodukt des anderen ist
Namensgebung: „We represent the primary mesons
Cecil Powell
by the symbol π and the secondary by μ.“
untersuchten den Zerfall positiver Pionen: werden in Materie
gestoppt, zerfallen dort: die Spuren des Zerfallsprodukts haben
die gleiche Länge, also offenbar ein Zweikörperzerfall
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5.2. Die Identifikation der Teilchen
Das neutrale Pion
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Weitere Messungen wurden gemacht.
Das zweite beim Zerfall auftretende unsichtbare Teilchen gab
noch Rätsel auf: es musste sehr leicht sein. Man vermutete,
dass es sich um Pauli´s Neutrino handeln könnte, ohne einen
Beweis dafür zu haben,
Nach einigen genaueren Experimenten folgerte man:
Das Pion zeigte deutliche Ähnlichkeit mit dem von Yukawa
vorhergesagten Teilchen.
1950: Bjorklund, Crandall, Moyer und York erzeugen am neuen
Synchrozyklotron in Berkeley neutrale Pionen (Protonen mit
230 MeV auf Kohlenstoff und Beryllium)
--> Hinweis auf diese neuen Teilchen durch die Photonen, in die
sie zerfallen
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6. Überblick
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6.1. Zeittafel
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1912 Victor Hess postuliert die kosmische Strahlung
1929 erste Beobachtung von Teilchenschauern kosmischen Ursprungs
1932 Entdeckung der Neutronen und Positronen
1933 Fermis Theorie zum Beta-Zerfall
1934, November: Yukawa´s erste Veröffentlichung über „heavy particles“
1936, August: Ladungsunabhängigkeit der Kernkraft gefunden
1936, November: Anderson findet ein „Meson“ (das spätere Myon)
1938: Kemmer sagt ein neutrales Meson voraus
1942: Tanikawa postuliert einen zweiten “Typ”von Meson
1946: erstes Synchrozyklotron (α, 380 MeV, Berkeley)
1946, Dezember (veröffentlicht): Untersuchungen zum Myoneneinfang
1947, Mai: Experimentelle Bestätigung: es gibt zwei „Mesonen“
1947, September: man spricht von π – und μ- Mesonen
1948, März: künstliche Erzeugung von Pionen im Beschleuniger (Lattes)
1950, April: Bjorklund et al.: neutrales Pion am Beschleuniger entdeckt
1951: Panofsky, Aamodt, Hadley: Messung von Spin und Parität der Pionen
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6.2. Myonen und Pionen heute
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(aktuelle Werte aus dem Particle Physics Booklet 2006)
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Eigenschaften der Pionen
π+/-: Masse: (139,57018 +/- 0,00035) MeV (rd. 273 me)
(Yukawa 1933: rd. 200 me, beste Messungen bis 1948: 283 +/- 7me)
Lebensdauer: (2,6033 +/- 0,0005)*10-8 s
π0: Masse: (134,9766 +/- 0,0006) MeV
Lebensdauer: (8,4 +/- 0,6)*10-17 s
Eigenschaften der Myonen
Masse: (105,658369 +/- 0,000009) MeV (rd. 207 me)
Lebensdauer: (2,19703 +/- 0,00004)*10-6 s
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6.3. Quellenverzeichnis
Printmedien:
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1. A. Pais „Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World“,
Oxford University Press, Reprint 1988
2. R.N. Cahn, G. Goldhaber: „Experimental Foundations of Particle Physics“
Cambridge University Press, Reprint 1992
3. D.H. Perkins, „Hochenergiephysik“, Addison-Wesley, 1990
4. D. Griffiths, “Einführung in die Elementarteilchenphysik”, Akademie Verlag, 1996
5. Praktikumsanleitung “Lebensdauer von Myonen”, IKTP, TU Dresden
6. N. Mukhopadhyay, “Nuclear Muon Capture”, Physics Reports 30, 1 (1977)
7. Particle Physics Booklet 2006, particle data group, Berkeley
8. W. Kaindl, “Modellierung höhenstrahlungsinduzierter Ausfälle in Halbleiterleistungsbauelementen”, Dissertation, Januar 2005, TU München
WWW:
9. http://nobelprize.org
Informationen über und Bilder von u.a. Heisenberg, Yukawa, Anderson und Powell
10. http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl_d_tph/sm_titel.html
kommentierte kurze Geschichte der Teilchenphysik
11. http://www.astroteilchenphysik.de/topics/cr/grnd.htm
12. http://www.e18.physik.tu-muenchen.de/skript/Energieverlust_Teilchens.html
13. dt./engl. Wikipedia: u.a. “Myon”, “Pion”, “Carl D. Anderson”, “Cecil Powell”
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
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