Mit einem sog. Cherenkovdetektor lassen sich kosmische Myonen erfassen. Bewegt sich ein geladenes Teilchen in einem Medium mit einer Geschwindigkeit v größer als die Lichtgeschwindigkeit c in diesem Medium, so wird dieses abgebremst und emittiert dabei Licht (sog. Cherenkovstrahlung, benannt nach deren Entdecker Pawel Alexejewitsch Tscherenkow).
Jetzt könnte man einwenden, dass laut spezieller Relativitätstheorie nichts schneller als das Licht sein kann/darf. Dies gilt aber nur für die Vakuumlichtgeschwindigkeit c_Vakuum = 3 · 10^ 8 m/s. In Wasser beträgt die Lichtgeschwindigkeit zum Beispiel „nur“ noch cWasser = cVakuum / nWasser = 3 · 10^ 5 / 1.33 = 225 000 km/s. Daher kann es durchaus sein, dass sich bei radioaktiven Zerfällen emittierte Elektronen schneller als cWasser bewegen! Die dann von ihnen ausgesandte blaue Cherenkovstrahlung ist etwa in Abklingbecken von Kernkraftwerken zu beobachten.
Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Tscherenkow-Strahlung#/media/Datei:Advanced_Test_Reactor.jpg
Neben Elektronen können z.B. auch schnelle Myonen, welche infolge kosmischer Strahlung in der Erdatmosphäre entstehen, Cherenkovstrahlung aussenden.
Myonen besitzen eine mittlere Lebendauer von nur 2.2 µs. Demnach dürften sie, wenn sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, maximal s = v · t = 3 · 10^8 · 2.2 · 10^-6 = 660 m weit kommen. Eigenartigerweise überwinden sie aber oft mehr als 10 km von ihrem Entstehungsort in der oberen Atmosphäre bis hin zur Erdoberfläche. Der Grund ist die sog. Zeitdilatation, welche im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Sie besagt umgangsprachlich, dass bewegte Uhren langsamer gehen. Dieser Effekt spielt allerdings erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten eine Rolle. Die in der Erdatmosphäre entstandenen Myonen bewegen sich aber mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Daher geht die innere Uhr der bewegten Myonen deutlich langsamer als die „Erduhr“. 1 µs auf der Erde wird bei v = 0.99 · c etwa zu 0.14 µs für die bewegten Myonen. Dadurch sind sie imstande, weitaus größere Strecken als eben diese 660 m zu überwinden.
Um dieses sehr schwache Cherenkov-Licht erfassen zu können, benötigt man einen extrem empfindlichen Lichtdetektor. Dazu eignet sich ein sog. Photomultiplier. Das ist im Prinzip eine Elektronenröhre mit einem Eintrittsfenster für Licht. Dieses Licht trifft auf die sog. Photokathode und löst dort Elektronen aus (siehe Photoeffekt https://stoppi-homemade-physics.de/photoeffekt/). Die frei gewordenen Elektronen werden mittels Hochspannung zwischen weiteren Elektroden (sog. Dynoden) beschleunigt. Dabei steigt ähnlich wie bei einer Lawine die Anzahl der Elektronen stark an. An der Anode angekommen erzeugen diese Elektronen über einen Lastwiderstand einen kurzen Spannungspuls. Dieser kann mit einem Zähler erfasst werden.
Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Photomultiplier#/media/Datei:Photomultiplier_schema_de.png
Dieser Photomultiplier befindet sich bei meinem Aufbau im Inneren einer lichtdichten, großen Lackdose, welche zum Teil mit Wasser gefüllt ist. Das vom Photomultiplier kommende Signal ist noch sehr schwach und muss verstärkt werden. Erst dann kann es dem Zähler zugeführt werden.
Um sicher zu gehen, dass keine anderen Effekte die Zählrate beeinflussen, wurde mit und ohne Wasser gemessen. Die erste Messung ohne Wasser ergab eine Zählrate von 53 Pulsen innerhalb von 10 Minuten. Mit Wasser stieg dann die Zählrate auf 81 Pulse innerhalb von 10 Minuten. Neuerlich ohne Wasser sank diese wieder auf 45 Pulse innerhalb der 10 Minuten.
Myonen besitzen wie schon erwähnt eine mittlere Lebensdauer von nur 2.2 µs. Sie zerfallen in ein Elektron bzw. Positron (plus Neutrinos).
Zerfällt ein Myon während es sich noch im Wasser meines Detektors befindet in ein Elektron, so besitzt dieses eine hohe Energie und demnach Geschwindigkeit. Daher sollte auch dieses durch den Myonenzerfall entstandene Elektron seinerseits Cherenkovstrahlung erzeugen.
Zu Beginn meiner Messungen verfügte ich lediglich über ein altes, analoges Oszilloskop. Damit konnte ich die Spannungsverläufe nicht speichern und so überprüfen, ob neben dem Myon eventuell auch ein Elektron detektiert wurde (genauer deren Cherenkovstrahlung).
Seit 2019 besitze ich aber ein modernes digitales Speicheroszilloskop. Triggert man etwa auf einen größeren Puls und speichert den Spannungsverlauf, so kann man überprüfen, ob neben dem Myon-Puls noch ein weiterer zu erkennen ist. Und in der Tat, ich konnte bei einigen Verläufen zwei Pulse ausmachen, welche auf das Myon bzw. das entstandene Elektron zurückzuführen sind.
Nur Myonenpuls:
Myonenpuls + Elektronenpuls:
