Entdeckung Myons und des Pions in der kosmischen Strahlung

Entdeckung des Myons und des
Pions in der kosmischen
Strahlung
Daniel Ebeling
Überblick
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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
– g ' 2,7 (1010 eV < E < 1016 eV)
– g ' 3,1 (1016 eV < E < 1019 eV)
– g ' 2,5 (E > 1019 eV)
Fluss der
Primärteilchen in
Abhängigkeit ihrer
Energie
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
Geschichtliches
• 1932: 4 Teilchen (g, 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 DR = 1,4 fm erhält man für die Masse des Pions
Entdeckung des Myons
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1937: Anderson
Nebelkammeraufnahmen
m = 106 MeV, t = 2,2 ¢ 10-6 s
Yukawa‘s Meson?  Nein!
– Keine starke Wechselwirkung
– Nur Positive und negative Ladung
– Lebensdauer zu lang
– Halbzahliger Spin
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: p§ Powell
• Photografische Emulsionen
– Verschiedene Berge (bis 5600 m)
– Flugzeuge (bis 9100 m)
• m = 139,6 MeV/c2 t = 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: p0 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
t = 0,8 ¢ 10-16 s
Zerfall des Pions
• Mögliche Zerfälle
• Nur ein Zerfall wird beobachtet
• 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(rechtshändig)
Zerfall des Pions
Relativistisch:
Nicht-relativ.:
Helizitäten der emittierten Leptonen
(s = dicke Pfeile, p = dünne Pfeile)
• Das p+ hat Spin-0  Die Spins der
geladenen Leptonen und der Neutrinos
müssen entgegengesetzt sein
Zerfall des Pions
• e+, m+ sollten rechtshändig sein
(Antifermionen)
• Massendifferenz zum Pion
 e+ relativistisch (Dm groß)
 m+ nichtrelativistisch (Dm 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