Myonen in der Kaffeekanne


      Das Kamiokannen-Experiment wurde an der Universität Mainz als Schüler- und Studentenexperiment zur Messung kosmischer Myonen entwickelt. Im Rahmen des Cosmic-Projekts vom Netzwerk Teilchenwelt hat die Universität Göttingen eine neue Version der Kamiokannen entwickelt. So wurde die Ausleseelektronik überarbeitet und auf modernere Elektronik-Bauelemente zurückgegriffen.

      Der Name “Kamiokanne” leitet sich von dem japanischen Experiment "Kamiokande" und der Thermoskanne ab. Dem japanischen Experiment und der Kamiokanne ist die Nutzung des Cherenkov-Effekts zum Nachweis geladener Teilchen, die sich mit fast Lichtgeschwindigkeit bewegen, gemeinsam.

      Die Kamiokanne besteht aus einer mit Wasser gefüllten Thermoskanne, in die ein Photomultiplier zur Messung des Cherenkov-Lichts schaut. Die Messung mit den Kamiokannen bietet einen Einblick in die Arbeitsweise der experimentellen Astroteilchenphysik vom Aufbau des Experiments bis zur Datennahme und Interpretation der Ergebnisse.

      DESY (und auch andere Institute im Netzwerk Teilchenwelt) stellt das Experiment für Schülerprojekte zur Verfügung, sowohl am Institut als auch an anderen Lernorten.

       
      Versuchsaufbau


        Das Kamiokannen-Experiment besteht aus:

        • zwei Kamiokannen (Dewargefäß mit Photomultiplier)
        • einer Hochspannungsversorgung für die Photomultiplier
        • einer Messelektronik zur Datennahme
        • einem USB-Stick zur Datenspeicherung
        • einem Computer zur Datenauswertung

        Weitere Informationen zum Versuchsaufbau und zur Durchführung der Messungen finden sich auf der Webseite Kamiokanne - kosmische Strahlung in der Kaffeekanne der Universität Göttingen oder in der Arbeit von Maike Jekel. Auf der Webseite oder in der Arbeit von Matthias Fuidl, Universität Mainz, kann man sich über den vorherigen Versuch informieren.

         
        Mögliche Aufgabenstellungen


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

          • Ratenmessung

              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.

            • Lebensdauermessung

                Für diesen Versuch wird eine Kanne verwendet. Um die Lebensdauer 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.



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