Muon levensduur meting Relativiteitstheorie en Zwakke wisselwerking

Paradox: muon kan de aarde niet bereiken. levensduur: 2,2 µs * afstand: 2,2·10-6 · 3,0·108 = 660m  10 km  ? * t½=1,56 µs

Overzicht van de presentatie Kosmische straling Historie van Levensduurmeting; o.a. filmfragment Experimenten Twee muonbalken Levensduurmeting PWS levensduurmeting en relativiteit. HiSPARC, JSL-Leiden, NLT –module, NiNa-module

Meten van muonen http://www.scivee.tv/node/2415

Kosmischestraling Ontdekkingen proton of ijzerkern als primair deeltje energie tot 1020 eV o.a. muonen als secundaire deeltjes eerste km’s kettingreactie muonverval µ- → νµ + ῡ e + e- maximale creatie op ≈10km hoogte E0=105Mev q = -1e Etot=103MeV ( v=0,995·c ) Kosmischestraling

Historie: muon experiment 1941 Muonen gemeten op 2km hoogte en vervolgens op zeeniveau. Vanwege beperkte levensduur verwacht je een grote reductie: een factor 10-4 . Klassiek: v=0,98c Afstand =2,0·103 m t= 2,0·103 / (0,98·108 m/s) t =2,0·10-5s = 13,1· t½ overlevers: I/I0 = 2-13,1 = 1,14·10-4 114 2km

Historie: muon experiment 1941 Muonen gemeten op 2km hoogte en vervolgens op zeeniveau. Vanwege beperkte levensduur verwacht je een grote reductie: een factor 10-4 . Op zeeniveau blijven er echter veel meer over. Relativistisch v=0,98·c γ=5,0 t½ = 5,0·1,56=7,8μs t =2,0·10-5s = 2,6· t½ overlevers: I/I0 = 2-2,6 = 0,165 165000 2km 7

Lorentztransformatie Rekenvoorbeelden: leerlingen kunnen dat goed β γ E0 Etot Ekin v/c √(1/(1-β2) ) (MeV) 0,1 1,01 105 106 1 0,5 1,15 121 16 0,9 2,29 241 136 0,98 5,03 528 423 0,99 7,09 751 645 0,995 10,01 1051 946 0,999 22,37 2348 2243 0,9999 70,71 7425 7320

Δt is verblijftijd in de scintillator Levensduurmeting één muon, 2 signalen: muon detectie muon verval Δt is verblijftijd in de scintillator meer dan 103 metingen Hoe bepaal je de levensduur? Opeenvolgende pulsen. 1 µs/div

Hoe gaat het detecteren in zijn werk

Hoe gaat het detecteren in zijn werk 12

Hoe gaat het detecteren in zijn werk 13

Hoe gaat het detecteren in zijn werk 14

Hoe gaat het detecteren in zijn werk 15

Realistische meting Bin = tijd interval van het histogram (vergelijk planck kromme)

Onderzoeken met 2 muonbalken voor bijvoorbeeld 1 dag of dagdeel ● Snelheidsmeting ● Looptijd van licht ● Richtingbepaling ● Toevallige coïncidenties ● ……………………………

1e voorbeeld. Nulmeting. Maximaal aantal muonen detecteren.

2e voorbeeld: spreiding. Afstand tussen balken vergroten.

PMT 1 PMT 2 Lengte scintillator: 1,3m (balk: 1,6m) Afstand tussen balk 1 en 2: 2m Scintillator 1 Scintillator 2 3e voorbeeld: negatieve looptijden Verklaring? Experimenteer met extreme situaties Scintillator 1 Scintillator 2 PMT 2 PMT 1

4e voorbeeld. Hoekverdeling ●Plaats de detectoren op verschillende afstanden, bijvoorbeeld zoals aangegeven in de tabel hieronder en kies de meettijd zo lang dat je 150 tot 200 detecties hebt. afstand(m) 0,05 0,10 0,25 0,50 0,90 1,40 2,00 meettijd (s) ●Leidt uit deze meetseries af wat de hoekverdeling is van binnenkomende muonen. ●Misschien heb je een betere opzet voor deze onderzoeksvraag. Noteer je suggesties voor verbeteringen.

PWS onderzoek I. muon levensduur één muon, 2 signalen: Levensduur bepalen uit een histogram. II. Tijdsdilatatie bepalen door geraffineerd experiment. Relativistisch v=0,98·c γ=5,0 t½ = 5,0·1,56=7,8μs t =2,0·10-5s = 2,6· t½ Overlevers: I/I0 = 2-2,6 = 0,165 165000 2km

Afsluiting JSL in Leiden Aartjan van Pelt avpelt@nikhef.nl Henk Buisman buisman@Physics.LeidenUniv.nl Nikhef Amsterdam Aartjan van Pelt avpelt@nikhef.nl Marcel Vreeswijk h73@nikhef.nl http://betavak-nlt.nl/les/modules_v/gecertificeerd/Kosmische_straling/ http://www.nieuwenatuurkunde.nl/disclaimer/28 http://www.hisparc.nl/over-hisparc/kosmische-lawines/ http://www.hisparc.nl/docent-student/astrodeeltjesfysica/