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Nachweis von Myonen mit Geiger-Muller-ZahlernTobias Franzen, Andreas Kaiser, Ines Markgraf, Michaela Spiegel und Torsten Veltum
Abstract
Myonen sind Elementartteilchen und Bestandteil der sekundarenkosmischen Strahlung.Sie entstehen in einer Hohe von etwa 10-20 km /2/. Trotz ihrer kur-zen Lebensdauer von 2,2 µs erreichen sie aufgrund der relativis-tischen Zeitdilatation die Erdoberflache. Sie gelten als experimen-telle Bestatigung der speziellen Relativitatstheorie.Gewohnlich erfolgt der Nachweis von Myonen mittels Cherenkov-Strahlung oder Szintilation. Hier wurde die Moglichkeit des Nach-weises durch Geiger–Muller-Zahler (GMZ) untersucht.Die Messungen erfolgten mittels Koinzidenzmethode, wobei Ein-flusse anderer Strahlungsanteile experimentell ermittelt wurden.Mit kommerziellen GMZ konnten die Literaturwerte zurAbhangigkeit der Zahlrate vom Zenitwinkel reproduziert wer-den.Zur Erhohung der Zahlrate und somit der Messgenauigkeit wurdengroßflachige Detektoren konstruiert, deren Funktion durch Mes-sung der Geiger-Muller-Kennlinie und von Koinzidenzen mit einemkommerziellen Zahler nachgewiesen wurde. Die hiermit durch-gefuhrten Messungen weisen eine gute Ubereinstimmung zu Wer-ten der kommerziellen Detektoren auf.
Kosmische Myonen
Einige wichtige Kennzahlen kosmischer Myonen sind /2/:
τL = 2.197µs v ≈ 0.998cmµ = 207me E ≈ 4GeV
Kosmische Hohenstrahlung
Abbildung 1: Schematische Darstellung der kosmischen Hohenstrahlung /5/
Kosmische Myonen
Myonen entstehen als Sekundarprodukt der kosmischenHohenstrahlung (Abbildung 1) durch folgende Zerfallsreaktionen/4/:
π+ → µ+ + νµπ− → µ− + νµ
e− + e+ → µ− + µ+
γ → µ− + µ+
Reichweite
I Klassisch: s = v · τL = 657m→ erreichen Erdoberflache nichtI ruhender Beobachter nimmt durch Zeitdilatation veranderte Zeit-
konstante wahr:
τ =τL
γ= 35µs γ =
√1− v2
c2 = 6.3 ·10−2 (1)
I Myonen auf Erdoberflache nach Zerfallsgesetz:
NN0
= e−( tτ ) ≈ 24% (2)
I Energieverlust von Myonen durch Ionisation:
dEdx
= −0.2MeVm2
kg· ρ (3)
Nachweis mit GMZ
I Myonen losen Geigerzahler zuverlassig ausI Ausgangsimpuls gibt keinen Hinweis auf Art des TeilchensI Trennung der Myonen von Hintergrundstrahlung durch 2 GMZI Koinzidenz bei hohen Energien→ wahrscheinlich Myon
Versuchsaufbau
I Impulssignale der GMZ mit Oszilloskop digitalisiert, in LABVIEWauf Koinzidenzen analysiert
(a) Aufbau zur Koinzidenzmessung mit zwei GMZ (b) Koinzidente Signale auf dem Os-zilloskop
Abbildung 2: Versuchsaufbau mit handelsublichen Geiger-Muller-Zahlrohren
Beeinflussung durch γ-Quanten
I Bleiblock zwischen 2 GMZ (d = 10cm) schirmt γ-Quanten allerEnergien zu mindestens 99.2% ab /1/
I Myonen verlieren etwa 226 MeV, geringer Anteil der Gesamt-energie
I γ-Anteil auf etwa 30% durch Vergleichsmessungen mit Blei be-stimmt
Winkelabhangigkeit
I Formel zur Winkelverteilung /3/:
I = I0 · cos(φ)n mit n = 1.85 (4)
0 2 0 4 0 6 05 0
1 0 0
1 5 0
2 0 0
2 5 0
3 0 0
����
������
�� �
���
W i n k e l [ G r a d ]
Abbildung 3: Gemessene Winkelverteilung mit angepasster cos(φ)n Funktion.(n = 1.85, I0 = (272± 7)min−1m−2, r2 = 0.99)
Eigenbaudetektoren
I Grund: geringe Zahlrate durch kleine Detektorflache der GMZI Effizienz durch großere Eigenbauten gesteigertI Nach Vorbild von Drahtkammern: zwischen zwei Aluminiumplat-
ten als Kathode ein feines Drahtgitter als Anode gespannt (Ab-bildung 4(b)).
I Betriebsparameter der luftgefullten Detektoren: Spannung von2.2kV, Druck von 46mbar → ausgepragtes Geiger-Muller-Plateau (Abbildung 4(d)).
I Vorteil: Sauerstoffanteil der Luft fangt Elektronen ein durch Bil-dung negativer Ionen
I setzt Auslosewahrscheinlichkeit von (γ Quanten etc.) herab (we-niger Ionisation)
I Betrieb nur schwer uber langere Zeit aufrecht zu erhaltenI vergleichbare Koinzidenzrate von (202 ± 54)min−1m−2 mit han-
delsublichen Detektor
Eigenbaudetektoren
(a) Aufbau zum Test des Eigenbaudetektors
(b) Gitter im Eigenbaudetektor (c) Anordnung der Detektoren
2 0 0 0 2 5 0 0
1
2
3
� �
������
��
B e t r i e b s s p a n n u n g [ V ]
(d) Spannungskennlinie eines Eigenbaudetektors
Abbildung 4: Versuchsaufbau mit dem Eigenbaudetektor
Referenzen
/1/ M. Berger, J. Hubbell, and S. Seltzer.XCOM: Photon Cross Sections Database.
/2/ F. Bosch.Schlusselexperimente der Atom-, Kern-, und Elementarteilchenphysik im 20. Jahr-hundert.http://www-ap.gsi.de/bosch/Schluesselexperimente%208-10.pdf,2005.
/3/ D. Burak.Nachweis kosmischer Myonen mittels Wasser-Cherenkov-Zahler.Examensarbeit an der Universitat Karlsruhe, 2007.
/4/ W. Demtroder.Experimentalphysik 4 - Kern-,Teilchen- und Astrophysik, page 178.Springer-Verlag, 2005.
/5/ E. H. Erwin.Cosmic rays.http://www.ngdc.noaa.gov/stp/SOLAR/COSMIC_RAYS/image/shower.gif, 2005.