313 Lebensdauer von Myonen
313 Lebensdauer von Myonen
Mit einem 25 Liter Szintillationstank und einem Photomultiplier beobachtet man die Signale ionisierender Strahlung. Dabei stellt man fest, dass sehr viel häufiger Doppelpulse im Mikrosekundenbereich auftreten, als es der statistischen Zufallsverteilung entspricht. Man deutet diesen Befund der Doppelpulse mit Hilfe des Myonenzerfalls. Myonen entstehen durch Zerfall von Pionen in der äußersten Lufthülle in etwa 10 bis 30 km Höhe. Eine große Zahl relativistischer Myonen können trotz der kurzen mittleren Lebensdauer von etwa 2,2 µs wegen der Zeitdilatation als Hauptkomponente der sekundären kosmischen Strahlung die Erde erreichen. Fällt ein geladenes Myon in den Szintillationstank, so registriert der Photomultiplier einen Puls. Kommt das eingefallene negative bzw. positive Myon im Tank zur Ruhe, dann zerfällt es nach einer individuellen Zeit in ein Elektron, ein elektronisches Antineutrino und ein myonisches Neutrino bzw. in ein Positron, ein elektronisches Neutrino und ein myonisches Antineutrino. (Beim Zerfall von Myonen handelt es sich um einen Dreiteilchenzerfall, beim Pionen-Zerfall um einen Zweiteilchenzerfall.) Das Zerfallselektron bzw. -positron erzeugt im Szintillatortank als geladenes Teilchen ebenfalls einen Lichtblitz, den der Photomultiplier als zweiten Puls registriert. Mit einer aus NIM-Modulen aufgebauten Elektronik werden über den Zeitraum einer Woche die Zeitabstände der beiden Pulse solcher Doppelpulse gemessen. Aus der sich ergebenden Verteilung wird mit einem Fit einer Exponentialfunktion die mittlere Lebensdauer der Myonen bestimmt. Die erhaltene Lebensdauer kann schliesslich mit dem Literaturwert verglichen werden. Vor der eigentlichen Lebensdauermessung muss die Zeitmessung mithilfe eines Pulsgenerators und eines elektronischen Delays kalibriert werden, wobei der zeitliche Abstand der beiden Pulse mit dem Oszilloskop bestimmt wird.
Der Versuch findet im F-Praktikums-Raum NB 04/286 statt.
Auch für Schwerpunkt Astronomie anrechenbar.
313 Lifetime of Muons
Muons from secondary cosmic radiation are detected in a tank with a liquid scintillator. Some of the muons are stopped in the tank and subsequently decay in it. Both when these muons enter the tank and when they decay, the liquid scintillator is triggered and produces a light pulse. These pulses are registered by a photomultiplier and its output signals are electronically processed so that the time intervals between the signals of the double pulses from the muon decays can be measured. After calibrating the time measurement, the decay times of many muons are collected in a histogram in a one-week long-term measurement. Finally, the mean lifetime of the muons is determined by fitting an exponential function to the data.
