McGyver-Wëssenschaft: Eng Kaffiskan als Detektor fir Weltraum-Deelercher

20.07.17

Karlsruher Institut für Technologie
science.lu-journalism-contest
Diesen Artikel drucken

Desen Artikel gouf geschriwwen am Kader vum science.lu-Journalismus-Concours. De Christophe Theiß krut fir säi Bäitrag den 3. Präis.

Fuerscher hunn en Experiment entwéckelt, an deem ee mat enger Kaffiskan Deelercher aus der kosmescher Héichtestrahlung detektéiere kann, déi sougenannt Myonen.

All Sekonn gëtt eis Äerd vu Milliounen Deelercher aus dem Weltraum bombardéiert [8]. Déi géifen dem Liewen op der Äerd schéin zouriichten (wéi ee grousse radioaktive Strahler), hätte mir net eist Äerdmagnéitfeld. D'Äerdmagnéitfeld hält eis nämlech e groussen Deel vun dësen - zum Deel héichenergeteschen - Deelercher vum Leiw. Vum Rescht géife mir ouni Detektor näicht mierken, ët sief dann, mir kucke grad an der Arktis e Polarliicht. Dat entsteet nämlech, wa gelueden Deelercher vun der Sonn mat héijer Vitesse an der Äerdatmosphär mat Loftdeelercher zesummeknuppen.

Kosmesch Myonen: eng ongeféierlech Strahlungsquell

D'Myone sinn och eng Zort Deelercher, déi esou an eiser Atmosphär entstinn an hire Wee op d'Äerd fannen. Mat méi wéi 99% vun der Liichtgeschwindegkeet treffen sie dann op d'Äerduewerfläch.

Nëmmen déi wéinegsten Leit wäerte schon eppes vu Myonen héieren hunn. Vill méi bekannt dogéint ass dem Myon säi klenge Brudder, den Elektron, deen zesumme mat de Protonen an den Neutronen de Groussdeel vun der Matière ausmécht, déi mir op der Äerd kennen.

Genau wéi den Elektron ass och de Myon negativ gelueden – am Fong ass ët eng identesch Kopie vum Elektron, déi just 200 mol méi schwéier ass. Mee en huet nach eng weider Eegenschaft: en huet nëmmen eng ganz kuerz Liewensdauer an zerfält a manner wéi enger Sekonn [1].

Wéi kann ee Myonen detektéiren? De Cherenkov-Effekt bréngt Liicht an d'Spill:

Wann d'Myone sou séier zerfalen, wéi wëll een se dann detektéieren? Dat hätt eis de Pavel Cherenkov, e russesche Physiker aus dem 20. Joerhonnert, erkläre kënnen. [2,3] Hien huet a senge Studie festgestallt, dass elektresch gelueden Deelercher, déi sech ganz schnell beweegen, ab enger gewësser Vitesse Liicht ofstralen.

Eppes Ähnleches kenne mir vu Rakéiten oder Düsejeeër. Wann déi méi schnell duerch d'Loft fléien, wéi d'Drockwellen sech an der Loft fortbeweegen kënnen (also mat Iwwerschallgeschwindegkeet fléien), dann erzeugen sie Drockwellen a Form vun engem Kegel: de sougenannte Mach-Kegel.

Genee dat nämmlecht geschidd och, wann elektresch gelueden Deelercher sech méi schnell wéi Liicht beweegen. Do entsteet da kee Schallkegel, mee e Liichtkegel.

Elo ass ët awer esou, dass mir näicht kennen, wat sech méi schnell wéi d'Liicht beweegen kann. Dat ass en Naturgesetz – am Vakuum zumindest. Am Waasser ass d'Liicht allerdéngs ronn 25% méi lues wéi am Vakuum, d'Myone kënne sech awer weiderhi mat bal Liichtgeschwindegkeet duerch d'Waasser beweegen, sou dass si do ee Kegel aus ''Cherenkov-Liicht'' erzeugen.

Wat geschidd mat de Myonen an der Kaffiskan?

Eng Kaffiskan erfëllt hiren Zweck nëmmen, wa se gefëllt ass – a sou ass ët och bei dësem Experiment. D'Waasser an der Kan ass nämlech dat Medium, an deem d'Myonen hiert Cherenkov-Liicht ofstralen.

Well dat awer leider sou schwaach ass, dass een dat mat bloussem Aen net ka gesinn, huet d'Kaffiskan nach eng weider Funktioun. Esou wéi se de Kaffi waarm hale soll, suergt d'Isoléierung vun der Kaffiskan dofir, dass d'Liicht beschtméiglech an der Kan bleift.

Fir d'Liicht dann ze detektéieren muss ee just nach ee Photomultiplier (PMT) op d'Kan setzen, fir dat schwaacht Liicht ze registréieren. Wat ee PMT mécht, seet eis am Fong scho säi Numm. Wann och nëmmen dat klengste Bësschen Liicht (''photos'' ass algriichesch an heescht Liicht) an de PMT kënnt, da multiplizéiert deen dat. Allerdéngs net an ee siichtbare Liichtblëtz, mee direkt an een elektrescht Signal, wat een entweder op engem speziellen Apparat, dem Oszilloskop kucken oder op engem Bildschirm mat Hëllef vun engem Computer auswäerte kann.

Domadder ass eist Experiment komplett, wat vu sengen Entwéckler op den Numm ''Kamiokanne'' [4,5] gedeeft ginn ass.

Wat kann een duerch dat elektrescht Signal erausfannen?

Dat elektrescht Signal seet vill iwwert dat detektéiert Deelchen aus. Wann d'Deelchen nämlech méi séier ass an dowéinst méi Energie huet, gëtt och d'Signal méi staark. Esou kann een e Myon vun aneren Deelercher ënnerscheeden.

Weiderhi kann een och kucken, wéi séier hannereneen d'Signaler kommen, wat domadder zesummenhänkt, wéi vill Deelercher all Sekonn an der Atmosphär entstinn.

Wann een nach eng zweet Kamiokanne huet, dann ass ët och interessant d'Signaler vu béide Kanen ze vergläichen. Wann een eng Kan iwwert déi aner stellt an ee Signal an der ieweschter Kan kuerz virun der anerer detektéiert, da weess een, dass d'Deelchen vun uewen komm ass.

Gi Kaffiskane wierklech an der Fuerschung agesat?

Fuerschung ze bedreiwen ouni eng gutt gefëllte Kaffiskan ass fir vill Physiker ondenkbar – ma haaptsächlech als Kaffilifferant. Als Fuerschungsinstrument kann ee mat der Kamiokanne vill interessant Eegenschaften moossen, wéi d'Liewensdauer vun de Myonen, oder d'Tatsaach, dass se aus eiser Atmosphär kommen. Mee fir exakt Myone-Fuerschung ass d'Kaffiskan awer net präzis genuch.

Richteg Präzisiounsfuerschung ass éischter eiser Kaffiskan hirem Virbild seng Aufgab: dem Kamiokande-Experiment a Japan [6]. Dat ass ee risege Waassertank mat 50.000 Tonnen Waasser an iwwer 11.200 PMT's. 2015 krut ee vun de Wëssenschaftler vum Kamiokande-Experiment, de Japaner Takaaki Kajita, souguer den Nobelpräis fir seng Fuerschung mat dësem Experiment.

E weideren internationalen Fuerschungsprojet, wat op dem nämlechten Prinzip berout, ass d'Pierre-Auger-Observatorium [7] an Argentinien. Dobäi handelt ët sech ëm ee risegen Teleskop fir extrem héichenergetesch Partikelen aus dem Weltall ze detektéiren. Dësem Teleskop seng ''Lëns'' besteet aus iwwer 1500 Waassertänk mat je 12.000 Liter Waasser, déi op enger Fläch vun iwwer 3.000 km² (wat méi grouss wéi Lëtzebuerg ass!) verdeelt sinn.

Och wann ee keng Spëtzefuerschung mat der Kamiokanne bedreiwen kann, kann een domadder, wéi déi grouss Experimenter, wichteg Eegenschaften vu Myonen moossen – an dat op sou eng einfach Art a Weis, datt souguer Schüler domadder experimentéiere kënnen [5]!

Auteur: Christophe Theiß
Editeur: André Mousset, Michèle Weber, Jean-Paul Bertemes

 

Iwwert de Christophe Theiß

De Christophe Theiß huet beim science.lu-Journalismus-Concours matghemaach an den 3. Präiss gewonnen. Hien ass engagéiert bei ZAK! am Beräich vum Behënnertesport a leidenschaftleche Pompjee. Hie studéiert säit geraumer Zäit niewebäi Physik zu Karlsruhe. Fir seng Master-Aarbecht schafft hien un der Entwécklung vu Computer-Programmer, déi Partikel-Kollisiounen am Teilchenbeschleuniger um CERN simuléieren a blockéiert duerch déi massiv Rechenleeschtung, déi en dofir brauch, regelméisseg d'Computeren vu sengen Kollegen am Institut. A senger Bacheloraarbecht huet hien um Kamiokannen-Experiment geschafft fir mat enger Kaffiskan d'Liewensdauer vu Myonen ze moossen.

Auteur : Christophe Theiß
Photo : (C) Millermooler

 

science.lu-Journalismus-Concours

science.lu hat e Wëssenschaftsjournalismus-Concours fir Fuerscher organiséiert, fir Wëssenschaftskommunikatioun ze förderen. Hei sinn d'Gewënner vun 2017: 

1. Präis: Barbara Glaser fir säin Artikel "Farbenprächtige Überschwemmungsgebiete: Wie Wärmebilder zu einem verbesserten Hochwassermanagement beitragen können" a Martha Elwenspoek fir säin Artikel "Stress & Health: How a stressful childhood can cause disease"

2. Präis: Alessandro Decarli fir säin Artikel "Attachment between parents and children: From the cradle to ... parenthood"

3. Preis: Christophe Theiß

Referenzen:

[1] Particle Data Group Referenz fir d'Myon
[2] Erklärungen zum Cherenkov-Effekt vu kworkquark 
[3] Historëschen Artikel iwwert de Sergei Vavilov an d'Entdeckung vum Cherenkov-Effetkt
[4] Offiziell Säit vum Kamiokannen-Experiment vum Desy
[5] Beschreiwung vum Kamiokannen-Experiment vun der Uni Göttingen
[6] Offiziell Säit vum Super-Kamiokande-Experiment
[7] Offiziell Säit vum Pierre-Auger-Observatorium
[8] Particle Data Review zur kosmescher Héichtestrahlung, Abschnitt 24.3.1 (Kosmesch Myonen op der Äerduewerfläch)

Auch in dieser Rubrik

Studienteilnehmer gesucht: Körperwahrnehmung und Stress bei medizinisch unerklärten Symptomen

26.07.17 Inwiefern führen Stress und eine fehlerhafte Kommunikation zwischen Kopf und Körper zu Beschwerden und einer Einschränkung des Wohlbefindens? > Ganzen Artikel lesen

Theater mat integréierter Science-Show: Deltahigh – Die Faszination der verborgenen Dimension

27.06.17 De Jongelycée vun Esch, d’Grondschoul Dellhéicht vun Esch an Déi kleng Fuerscher asbl proudly present d’Suite vun hirer ausgezeechenter Show. > Ganzen Artikel lesen

Wind turbine construction workshop at LtEtt with students from the University of Luxembourg

15.06.17 With a group of students from the University of Luxembourg, we built a small wind turbine – Do-It-Yourself style as a hands-on working experience with a gre...> Ganzen Artikel lesen

Jonk Fuerscher 2017: ein Preis in den USA für Camilla Hurst und ihre mikrobiologische Forschung

07.06.17 Camilla Hurst setzt ihre mikrobiologischen Forschungen zur Verbesserung der Sauberkeit öffentlicher Flächen fort. > Ganzen Artikel lesen

Teilnehmer für Online-Studie gesucht: Wie gut kommunizieren Sie mit Ihrem Körper?

13.04.17 Anhand eines neuen Fragebogens wird an der Universität Luxemburg die Wahrnehmung von essensbezogenen Körpersignalen wie z.B. Hunger- und Sättigungsgefühle u...> Ganzen Artikel lesen

Verwandte Themen