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Der erste International Cosmic Day

Am 26. September 2012 fand zum ersten Mal der International Cosmic Day statt. Dieser feierte die Entdeckung der kosmischen Strahlung vor genau 100 Jahren von dem Physiker Victor Franz Hess. Von China über Europa bis in die USA führten Jugendliche an diesem Tag in Schulen und Forschungsinstituten Experimente zur kosmischen Strahlung durch. Victor Uhl erzählt, wie er den Tag erlebt hat.

Für uns Schüler in Hamburg begann der erste International Cosmic Day mit einer Begrüßung und einer kleinen Übersicht zum Tagesablauf, der uns am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) erwarten würde. Als nächstes machte uns ein Astrophysiker von der Hamburger Sternwarte mit allen wichtigen Grundkenntnissen zur kosmischen Strahlung bekannt. Dabei erzählte er uns auch von seiner eigenen Forschung und gab uns die Möglichkeit, ihn über seine Arbeit auszufragen. Selbst diejenigen von uns, die noch nichts über kosmische Strahlung wussten, konnten den Erzählungen des Wissenschaftlers gut folgen.

Nachdem wir die ersten Grundkenntnisse über kosmische Strahlung besaßen, konnte es mit dem Experimentieren losgehen. Bei den Experimenten ging es darum, sogenannte Myonen zu messen und deren Eigenschaften zu bestimmen. Die Myonen sind elektrisch geladene Elementarteilchen, die in der Erdatmosphäre – etwa zehn Kilometer über dem Erdboden – entstehen. Treffen primäre kosmische Teilchen aus den Tiefen des Weltalls – zum Beispiel Protonen –  auf die Atmosphäre, erzeugen sie dort Schauer aus vielen sekundären Teilchen.

Vernetzte Experimente

Die Myonen, die dabei entstehen, prasseln dann auf unsere Erde herab. Während die meisten von uns untersuchten, aus welcher Richtung die meisten Myonen den Erdboden erreichen, beschäftigte sich eine weitere Gruppe damit, die Geschwindigkeit der Myonen zu bestimmen. Über einen Webchat waren wir den ganzen Tag über mit den anderen teilnehmenden Instituten verbunden. So konnten wir live mitbekommen, was die anderen Schüler messen und selber von unseren Messungen berichten. Wir erfuhren zum Beispiel, dass die Jugendlichen in Dresden und in Zeuthen dieselben Messungen durchführten wie wir. Auch Genf in der Schweiz und Lecce in Italien waren zugeschaltet. Natürlich tauschten wir die kleinen Nachrichten im Chat auf Englisch aus.

International Cosmic Day
International Cosmic Day bei DESY

Der Detektor, den wir für die Messung der Myonen nutzten, besteht aus zwei übereinander positionierten Szintillatorplatten, in denen die hindurchfliegenden Myonen Lichtsignale erzeugen. Die Lichtsignale werden dann in einem Photomultiplier aufgefangen, in elektrische Impulse umgewandelt und verstärkt. Eine Datenverarbeitungskarte liest die elektrischen Impulse aus und gibt die Informationen an einen Computer weiter. Mit einem Programm konnten wir unsere Messungen dann auswerten.

Um sicher zu gehen, dass wir nur Myonen beobachteten, nahmen wir einige Voreinstellungen am Detektor vor. So wurden immer nur die elektrischen Impulse mitgezählt, die über einem gewissen Wert lagen. Außerdem war die Anordnung unseres Detektors so konzipiert, dass ein Myonensignal nur gezählt wurde, wenn in beiden Szintillatorplatten innerhalb eines sehr kurzen Zeitfensters ein Signal detektiert wurde. Da Myonen fast mit Lichtgeschwindigkeit fliegen, sollten sie, wenn sie durch beide Platten fliegen, nahezu gleichzeitig in beiden Zählern Signale erzeugen.

In unserem Versuch haben wir die Rate der Myonen in Abhängigkeit verschiedener Einfallswinkel gemessen. Dazu kippten wir unseren Detektor in unterschiedliche Richtungen und schauten, wie viele Myonen durch den Detektor fliegen. Die Ergebnisse waren uns zunächst unbegreiflich, denn wir beobachteten, dass sich die Myonenrate mit jedem Ausrichtungswinkel des Detektors veränderte. Senkrecht von oben trafen die meisten Myonen ein, kippten wir den Detektor aber einmal um einen Winkel von neunzig Grad zur Seite, war die Myonenrate viel geringer.

Albert Einstein hat die Lösung

Dieses Phänomen konnten wir uns erst später erklären: Die Myonen sind sekundäre kosmische Teilchen, denn sie entstehen erst in der Erdatmosphäre und kommen nicht direkt aus dem Weltall. Sie besitzen eine mittlere Lebensdauer von lediglich zwei Mikrosekunden und dürften es trotz ihrer Geschwindigkeit von 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit nicht schaffen, die Erdoberfläche zu erreichen.

Die Lösung liefert Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie: Einstein fand heraus, dass sich die Lebensdauer der Myonen verlängert wenn sie sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Man nennt dieses Phänomen „Zeitdilatation“. Somit haben die kosmischen Myonen genug Zeit, die Strecke von etwa zehn Kilometern zurückzulegen bevor sie in ein Elektron und zwei Neutrinos zerfallen.

Winkelabhängigkeit der Myonen vom Einfallswinkel.
Winkelabhängigkeit der Myonen vom Einfallswinkel

Nun ist die Flugstrecke der Myonen senkrecht von oben viel kürzer als von der Seite. Alle Myonen, die in einem anderen Winkel auf die Erde treffen, legen einen längeren Weg zurück, sodass manche von ihnen es trotz Einsteins Zeitverlängerung nicht bis zum Erdboden schaffen. Außerdem durchqueren diese Myonen einen größeren Teil der Atmosphäre, die die Teilchen abbremst und sie daran hindert, den Boden zu erreichen.

Die Gruppe, die die Myonengeschwindigkeit gemessen hat, nutzte den gleichen Aufbau wie wir. Anstatt aber den gesamten Detektor zu drehen, stellten sie die zwei Szintillatorplatten in drei verschiedenen Abständen voneinander auf und beobachteten die Zeiten zwischen den Signalen der einzelnen Platten. Über den Abstand der Platten konnten sie dann auf die Geschwindigkeit der Teilchen zurückschließen. Ihr Ergebnis von 340.000 Kilometern pro Sekunde ist natürlich fehlerbehaftet, da die Myonen sonst schneller als das Licht wären. Jedoch kommt der gemessene Wert dem Literaturwert von 297.000 Kilometern pro Sekunde schon sehr nahe.

Nach dem Experimentieren berichtete jede Gruppe von ihren Ergebnissen und es gab noch eine kleine Fragerunde. Dort wurden alle noch offenen Fragen beantwortet und letzte Unklarheiten beseitigt. Als sich der erste International Cosmic Day am DESY dem Ende zuneigte, verabschiedeten wir uns alle voneinander und gingen mit neuen Erfahrungen und neugewonnenen Freunden nach Hause.