Muon levensduur meting Relativiteitstheorie en Zwakke wisselwerking 1

Muon levensduur meting Relativiteitstheorie en Zwakke wisselwerking 1

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

Overzicht van de presentatie • Kosmische straling • Historie van Levensduurmeting; o. a. filmfragment • Experimenten Twee muonbalken Levensduurmeting • PWS levensduurmeting en relativiteit. • Hi. SPARC, JSL-Leiden, NLT –module, Ni. Na-module 3

Meten van muonen http: //www. scivee. tv/node/2415 4

Ontdekkingen proton of ijzerkern als primair deeltje energie tot 1020 e. V o. a. muonen als secundaire deeltjes eerste km’s kettingreactie muonverval µ - → ν µ + ῡ e + emaximale creatie op ≈10 km hoogte E 0=105 Mev q = -1 e Etot=103 Me. V ( v=0, 995·c ) 5 Kosmische straling

Historie: muon experiment 1941 Muonen gemeten op 2 km hoogte en vervolgens op zeeniveau. Vanwege beperkte levensduur verwacht je een grote reductie: een factor 10 -4. Klassiek: v=0, 98 c Afstand =2, 0· 103 m t= 2, 0· 103 / (0, 98· 108 m/s) t =2, 0· 10 -5 s = 13, 1· t½ overlevers: I/I 0 = 2 -13, 1 = 1, 14· 10 -4 2 km 6 114

Historie: muon experiment 1941 Muonen gemeten op 2 km 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 -5 s = 2, 6· t½ overlevers: I/I 0 = 2 -2, 6 = 0, 165 2 km 7 165000

Lorentztransformatie Rekenvoorbeelden: leerlingen kunnen dat goed β γ v/c 8 E 0 √(1/(1 -β 2) ) Etot (Me. V) Ekin (Me. V) 0, 1 1, 01 105 106 1 0, 5 1, 15 105 121 16 0, 9 2, 29 105 241 136 0, 98 5, 03 105 528 423 0, 99 7, 09 106 751 645 0, 995 10, 01 1051 946 0, 999 22, 37 105 2348 2243 0, 9999 70, 71 105 7425 7320

Levensduurmeting één muon, 2 signalen: muon detectie • muon verval • Δt is verblijftijd in de scintillator meer dan 103 metingen Hoe bepaal je de levensduur? 9 Opeenvolgende pulsen. 1 µs/div

{ 10

Hoe gaat het detecteren in zijn werk 11

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 16 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 ● ……………… 17

1 e voorbeeld. Nulmeting. Maximaal aantal muonen detecteren. 18

2 e voorbeeld: spreiding. Afstand tussen balken vergroten. 19

3 e voorbeeld: negatieve looptijden Verklaring? Scintillator 1 PMT 1 Lengte scintillator: 1, 3 m (balk: 1, 6 m) Afstand tussen balk 1 en 2: PMT 2 Scintillator 2 Experimenteer met extreme situaties Scintillator 1 20 PMT 1 Scintillator 2 2 m PMT 2

4 e 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 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. 21

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 -5 s = 2, 6· t½ Overlevers: I/I 0 = 2 -2, 6 = 0, 165 22 2 km 165000

Afsluiting JSL in Leiden Aartjan van Pelt Henk Buisman avpelt@nikhef. nl buisman@Physics. Leiden. Univ. nl Nikhef Amsterdam Aartjan van Pelt Marcel Vreeswijk avpelt@nikhef. nl h 73@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/ 23