Auch in diesem Jahr hat unsere Schule am diesjährigen ICD teilgenommen. Wir, das sind diesmal die Klassen 10a und 10b gewesen (Abb. 1), haben den Tag verdoppelt, indem wir uns ganze zwei Tage lang mit kosmischen Teilchen beschäftigt haben – im Wesentlichen mit Myonen. Die stehen eigentlich in keinem Lehrbuch und auch sonst vieles nicht, was mit kosmischen und Elementarteilchen zu tun hat. Deshalb gab es für uns am Vortag (12.11.25) zuerst einen Crahkurs in Teilchen- und Astrophysik, wo wir z.B. gelernt haben, dass Myonen durch kosmischen Beschuss in der Atmosphäre gebildet werden und als Teilchenschauer selbst durch Gebäude und bis in die Erde eindringen.
Hierfür haben wir spezielle Detektoren verwendet, die messen können, wenn ein Teilchen wie ein Myon hindurchfliegt. Dabei wird in einem Material (einem Szintillator) Licht erzeugt, das dann einen elektrischen Impuls erzeugt, der dann verstärkt und über eine geeignete Schaltung gezählt werden kann. Um sicherzustellen, dass es sich auch tatsächlich um ein Myon und nicht z.B. um radioaktive Strahlung handelt, haben wir immer mindestens zwei Detektoren hintereinander geschaltet und nur Ereignisse gezählt, die in beiden Detektoren nahezu gleichzeitig gemessen werden. Diese Detektoren haben wir am ersten Tag in verschiedenen Anordnungen bereits aufgebaut und erste Messergebnisse gewonnen. Diese Messungen wurden dann am eigentlichen ICD (13.11.25) fortgesetzt.
Für ein Experiment wurden zwei Detektoren (CosMO, Cosmic Muon Observer) mit möglichst großem Abstand zueinander senkrecht übereinander aufgebaut (Abb. 2). Über die Verarbeitungssoftware lässt sich die Zeit bestimmen, die ein Myon vom oberen bis zum unteren Detektor benötigt. Mit dem Abstand konnten wir dann die Geschwindigkeit der Myonen berechnen. Das ergab bei uns 247.000.000 m/s, also 82 % c (der Lichtgeschwindigkeit) – theoretisch sollten sie aber deutlich schneller sein (99,6 % c) (Abb. 3). Offenbar ist die Apparatur für eine exaktere Messung nicht geeignet.
Außerdem wurde die Richtung, aus der die meisten Myonen kommen, mit jeweils zwei Detektoren, CosMO-Platten oder Kamiokannen, in einem gleichbleibenden Abstand, aber in unterschiedlichen Winkeln zum Zenit angeordnet. Die gemessenen Zählraten pro Zeiteinheit wurden dann gegen den jeweiligen „Zenitwinkel“ aufgetragen. Die CosMO-Platten wurden mit einem festen Abstand von 43 cm angeordnet, wobei eine Winkeleinstellung für 20 min gemessen wurde (Abb. 4). Wir konnten zeigen, dass die gemessene Myonenrate mit zunehmendem Zenitwinkel abnahm (Abb. 5). Dies wird nachvollziehbar, wenn man berücksichtigt, dass Myonen, die z.B. „waagerecht“ einstrahlen, also senkrecht zum Zenit, einen viel weiteren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen müssen. Bei der kurzen Halbwertszeit von Myonen wird deutlich, dass sie den Weg „senkrecht“ (also mit 0° zum Zenit) bis zur Erdoberfläche noch schaffen, nicht aber bei 90°. Theoretisch sollte die Abnahme einer cos2-Funktion folgen – dies wurde auch erreicht (Abb. 5).
Schließlich haben wir noch die Umwandlung von Myonen in Elektronen und Neutrinos nachgewiesen und darüber die mittlere Lebensdauer der Myonen bestimmt. Hierzu werden 3 CosMO-Detektoren direkt übereinander aufgebaut (Abb. 6). Wenn ein Myon in dem obersten Detektor gemessen wird und sich in dem mittleren Detektor in Elektron und Neutrinos umwandelt, wird das Elektron dort gemessen. Über die Flugzeit kann dann die mittlere Lebensdauer ermittelt werden. Eine dritte Platte dient als Veto – wenn hier auch ein Teilchen detektiert wird, zählt das Ereignis nicht, da es ja einfach ein Myon sein könnte, das alle drei Platten passiert hat (Abb. 7).
Die Ergebnisse haben wir in mehreren Teams Arbeit in Teams an verschiedenen Versuchsanordnungen gewonnen. Eine weitere Gruppe hat die Präsentation der Ergebnisse vorbereitet, um diese dann in einer Zoom-Konferenz mit internationaler Beteiligung vorzustellen und zu diskutieren. Nachdem wir vor zwei Monaten durch die italienische EEE-Forschergruppe bereits andere Ansätze zur Myonen-Messung kennengelernt haben, haben wir nun eigene Experimente durchgeführt und mehr zu wissenschaftlichem Arbeiten und wissenschaftlichem Austausch gelernt. Bei allem wurden wir tatkräftig von den Alumni des Vorjahres (Dominick Blex, Nikita Sarapultsev) unterstützt und angeleitet, so dass der ICD25 an unserer Schule eine interessante und erfolgreiche Veranstaltung wurde.
Eva Hoffmann, Lilly Marie Kähler, Melia Ibadet Ramadanovski, Alicia Viek und Clara Windszus
