10. – 13. Schuljahr

Thomas Hildebrand und Barbara Valeriani-Kaminski

Mittlere Lebensdauer des Myons

Ein Experiment zur Messung mit schulischen Mitteln und Messdaten zur Auswertung im Unterricht

Seit den ersten Beobachtungen mit dem Heißluftballon von Viktor Hess im Jahre 1912 werden Experimente zur Untersuchung der kosmischen Strahlung durchgeführt, um die Geheimnisse des Universums zu enthüllen. Für diese Experimente spielen Myonen eine fundamentale Rolle, da man aus ihrer Verteilung auf der Erdoberfläche Rückschlüsse auf die primäre kosmische Strahlung ziehen kann.
Im Schulunterricht ist die Behandlung der kosmischen Myonen an die Bestimmung der mittleren Lebensdauer und die Behandlung des sog. Myonen-Paradoxons gekoppelt. Dabei wird das Myon-Paradoxon als Rechenbeispiel für die Zeitdilatation bzw. die dazu komplementäre Längenkontraktion und damit als Anwendung der speziellen Relativitätstheorie genutzt. In vielen Schulbüchern (s. z.B. [1] – [3]) finden sich dazu auch Aufgaben und Hinweise. Auch auf der Plattform LEIFIphysik [4] hat der Lerninhalt „Myonen-Speicherring (CERN) Eingang gefunden.
Im Bundesland NRW gehört der „Myonenzerfall zu den 25 verpflichtenden Schlüsselexperimenten im Grundkursbereich der Qualifikationsphase. Die Handreichungen [5] dazu verweisen explizit auf die Messung der Lebensdauer von Myonen mit den vom „Netzwerk Teilchenwelt [6] zur Verfügung gestellten Experimenten. Hierbei handelt es sich um
  • das CosMO-Experiment [21], das aus mehreren Flächenszintillationsdetektoren besteht, und
  • das Kamiokannen-Experiment [22], das die Myonen durch Cherenkovstrahlung in Wasser nachweist.
Darüber hinaus bietet die über das „Netzwerk Teilchenwelt erreichbare Seite Cosmic@web [20] viele weitere experimentelle Vorschläge, auch zur Bestimmung der Lebensdauer der Myonen.
Materialien und Messdaten zum Myonenzerfall
In diesem Artikel wird ein neuer, alternativer Ansatz zur Messung der mittleren Lebensdauer des Myons in der Schule vorgestellt: Experimentelle Daten aus dem Nachweis von Zerfällen kosmischer Myonen wurden in Form von Doppelpulsbildern aufgenommen und zusammen mit begleitenden Unterrichtsmaterialien auf der Lernplattform https://www.cosmics4school.physik.uni-bonn.de/ bereitgestellt.
Für die Aufnahme der Doppelpulsbilder wurde ein an der Universität Bonn entwickeltes Experiment verwendet, das auf dem Experiment „Myonenkanne [7] basiert, jedoch eine statistisch relevante Messung der mittleren Lebensdauer innerhalb eines Tages ermöglicht und Oszilloskopbilder von Myonenzerfällen liefert. 1)
Materialien zum Myonenzerfall auf cosmics4school
Mithilfe der Daten und Materialien der Lernplattform „cosmics4school kann so an jeder Schule die Bestimmung der mittleren Lebensdauer unabhängig von den schulischen Möglichkeiten durchgeführt werden. Die Doppelpulsbilder (s.o.) werden einzeln händisch ausgewertet, so dass ausreichend statistisches Datenmaterial von den Schülerinnen und Schülern selbst erstellt wird.
Die Plattform https://www.cosmics4school.physik.uni-bonn.de/ [16] ist so gegliedert, dass zunächst Grundlegendes zum Myon dargeboten wird. Der Schwerpunkt liegt dann aber auf der Bestimmung der mittleren Lebensdauer des Myons. Der Aufbau des Experiments (s. Beschreibung in Kasten 1), die Bilderfassung und Datenauswertung sowie weitere Grundlagen werden hier präsentiert.
Mit Wasser Myonen nachweisen
Mit Wasser Myonen nachweisen
Beim Durchgang kosmischer Myonen durch Wasser wird Cherenkovstrahlung erzeugt, die mithilfe eines Photomultipliers nachgewiesen werden kann. Die so entstehenden Pulse können mit einer Auswerteelektronik oder mit einem Oszilloskop nachgewiesen werden (s.a. [8]). Die detektierten Pulse können zur Bestimmung der Myonenrate oder der Winkelverteilung (z.B. mit zwei wassergefüllten Gefäßen) genutzt werden. Dabei ist das Messprinzip für Schülerinnen und Schüler gut nachvollziehbar, da die Versuchskomponenten entweder bekannt sind oder sich schnell erschließen...

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