Das Kamiokannen-Experiment

    Myonen in der Kaffeekanne


      Das Kamiokannen-Experiment ermöglicht Schülern und Studenten kosmischen Teilchen eigenständig zu untersuchen. Das Experiment ist aus Komponenten, wie sie auch in einem Großexperiment genutzt werden, aufgebaut und gibt so einen direkten Einblick in die wissenschaftliche Arbeit der experimentellen Astroteilchenphysik.

      Das Kamiokannen-Experiment wurde an der Universität Mainz entwickelt. Im Rahmen des Astroteilchen-Projekts des Netzwerks Teilchenwelt haben die Universität Göttingen und DESY in Zeuthen das Kamiokannen-Experiment weiterentwickelt und modernisiert. Zusammen mit anderen Instituten im Netzwerk Teilchenwelt stellt DESY das Kamiokannen-Experiment für Schülerprojekte zur Verfügung, sowohl am Institut als auch an anderen Lernorten.

      Basierend auf den Einsatz von Thermoskannen stellt das Kamiokannen-Experiment eine Miniatur des japanischen Kamiokande-Experiments dar. Anders als beim Kamiokande-Experiment werden mit den Kamiokannen nicht Neutrinos sondern Myonen gemessen.

       
      Versuchsaufbau


        Das Kamiokannen-Experiment besteht aus:

        • zwei Kamiokannen (Thermoskannen mit aufgesetztem PMT und interner Hochspannungsversorgung)
        • einem 5 V Netzteil für die Spannungsversorgung des PMT
        • einer DAQ-Karte (vom Fermilab-Experiment)
        • einem Netbook zur Steuerung der DAQ-Karte, zur Datenspeicherung und -auswertung
        • dem Mess- und Auswertungsprogramm "Muonic"
        • einem GPS-Gerät (optional), das an die DAQ-Karte angeschlossen werden kann.

        Zur Messung kosmischer Myonen mit den Kamiokannen, wird der Umstand ausgenutzt, dass sich diese Myonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen. Aus diesem Grund erzeugen sie in einem lichtdurchlässigen, elektrisch nicht leitenden Medium, wie z.B. Wasser, sogennante Tscherenkov-Strahlung. In einer mit Wasser gefüllten Kamiokanne wird dieses Licht von einem PMT detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das Ausgangssignal des PMTs wird an eine DAQ-Karte zur die Datenerfassung gesendet. Diese filtert die eingehenden Signale entsprechend der zuvor eingestellten Kriterien und sendet die gefilterten Daten weiter an ein Notebook, wo sie gespeichert werden.

         
        Versuchsdurchführung


          Wie bei jedem Experiment müssen die Detektoren vor der eigentlichen Messung kalibriert werden. Dazu wird für jeden Detektor (Kamiokanne) die gemessene Teilchenrate in Abhängigkeit von der eingestellten Schwellspannung (Threshold) gemessen. Aus der resultierenden Messkurve lässt sich die optimale Schwellspannung ablesen. Anschließend können mit den kalibrierten Detektoren diverse Fragestellungen untersucht werden. Zur Analyse der auf dem Notebook gespeicherten Daten wird das Messprogramm "Muonic" bereitgestellt.

           
          Mögliche Aufgabenstellungen


            Mit den Kamiokannen-Experiment lassen sich verschiedene interessante Experimente mit kosmischen Teilchen durchführen:

              • Bei der Ratenmessung bestimmt man die Zahl der in der Kamiokanne gemessenen Teilchen in Abhängigkeit von der Zeit
                (z. B.: N Teilchen pro Sekunde, pro Minute oder pro Stunde). Mit einer einzelnen Kanne misst man die aus allen Richtungen kommenden Teilchen. Hier kann man z. B. die Abschirmung durch Material untersuchen (Messung unter dem Dach und im Keller eines Gebäudes, Einbau der Kanne in Bleiziegel). Mit beiden Kannen und einer Koinzidenzforderung lässt sich die Rate in Abhängigkeit vom Winkel messen, so dass die Richtungsabhängigkeit der Intensität kosmischer Myonen bestimmt werden kann. Es ist wichtig, dass sich der Abstand der Kannenmittelpunkte bei den verschiedenen Messungen nicht ändert. Auch hier kann der Effekt der Abschirmung durch Material untersucht werden.

                • Um die Lebensdauermessung von Myonen zu bestimmen, beobachtet man den Myonenzerfall, d.h. es werden die Messdaten auf Ereignisse hin untersucht, bei denen innerhalb von 20 Mikrosekunden zwei Signale registriert wurden. Dabei stammt das erste Signal von einem Myon und das zweite vom Zerfallsteilchen, dem Elektron bzw. Positron. Um eine ausreichende Statistik für die Auswertung aufzunehmen, sollte die Messdauer mindestens 72 Stunden betragen. Die Darstellung der Anzahl dieser Ereignisse in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz erlaubt die Bestimmung der Myon-Lebensdauer. Für diesen Versuch wird eine Kanne verwendet.

                  • Messungen in Abhängigkeit von der verwendeten Flüssigkeit oder mit Zusätzen im Wasser



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