Kosmische Myonen

In jeder Sekunde treffen etwa hundert Myonen auf einen Quadratmeter Erdoberfläche. Sie durchdringen Dächer, Wände und Menschen, ohne dass jemand etwas davon merkt. Myonen sind der am besten messbare Teil der kosmischen Strahlung — und einer der vier Beiträge, die in der Mastergleichung unter dem effektiven Fluss zusammengefasst werden.

Woher sie kommen

Hochenergetische Protonen und Atomkerne aus dem Weltraum treffen in etwa 15 Kilometern Höhe auf Stickstoff- und Sauerstoffkerne der Atmosphäre. Aus diesen Zusammenstößen entstehen Kaskaden neuer Teilchen — Luftschauer. Ein Großteil davon sind Pionen, die binnen Bruchteilen einer Millionstelsekunde in Myonen und Neutrinos zerfallen.

Von allen geladenen Teilchen dieser Schauer erreichen fast nur die Myonen den Boden. Der Rest wird vorher absorbiert.

Ein Teilchen, das eigentlich nicht ankommen dürfte

Myonen leben im Mittel 2,2 Mikrosekunden. Selbst mit Lichtgeschwindigkeit käme ein Myon in dieser Zeit nur etwa 660 Meter weit — die Atmosphäre ist zwanzigmal dicker. Nach der klassischen Rechnung dürfte praktisch keines den Boden erreichen.

Sie erreichen ihn trotzdem, und zwar in großer Zahl. Der Grund ist die Zeitdilatation der speziellen Relativitätstheorie: Aus Sicht des Myons ist die Strecke verkürzt, aus Sicht des Bodens verläuft seine innere Uhr langsamer. Der Myonenfluss auf Meereshöhe ist damit eines der schönsten Alltagsbelege für Einsteins Theorie — jede Sekunde, überall, millionenfach.

Wie viele es sind

Die Particle Data Group gibt für Meereshöhe rund 10² Myonen je Quadratmeter und Sekunde an — etwa eines pro Quadratzentimeter und Minute. Die mittlere Energie liegt bei ungefähr 4 GeV.

Der Fluss ist nicht überall gleich, und das auf angenehm nachvollziehbare Weise: Er nimmt mit der Höhe deutlich zu, weil weniger Atmosphäre über einem liegt, und er hängt schwach von der geografischen Breite ab, weil das Erdmagnetfeld die einfallenden Primärteilchen ablenkt. Wer mit diesem Fluss rechnet, kann ihn also standortabhängig ansetzen — und er lässt sich mit vergleichsweise einfachen Detektoren selbst nachmessen.

Der Unterschied zu Neutrinos

Myonen tragen elektrische Ladung und wechselwirken elektromagnetisch. Sie geben Energie ab, indem sie Materie auf ihrem Weg ionisieren — beschrieben durch den Energieverlust je Wegstrecke, dE/dx. Ein einzelnes Myon hinterlässt dadurch ein deutlich größeres Signal als ein Neutrino, dessen Wirkungsquerschnitt um viele Größenordnungen kleiner ist.

Dafür ist der Neutrinofluss um ein Vielfaches dichter und zeitlich völlig gleichmäßig, während der Myonenfluss mit Wetter, Höhe und Sonnenaktivität schwankt. Die beiden Beiträge ergänzen sich also: der eine stark und schwankend, der andere schwach und verlässlich.

Anwendungen jenseits der Grundlagenforschung

Myonen sind längst Werkzeug. Die Myographie durchleuchtet mit ihnen Objekte, die kein Röntgengerät erfasst: 2017 entdeckte ein Team so einen bis dahin unbekannten Hohlraum in der Cheops-Pyramide. Vulkanologen bestimmen damit die Dichteverteilung im Inneren aktiver Vulkane, und in Japan wurde das Verfahren genutzt, um in die zerstörten Reaktorblöcke von Fukushima zu blicken.

Dass ein Teilchen, das man vor neunzig Jahren erst entdeckte, heute Pyramiden durchleuchtet, sagt einiges über das Tempo dieses Felds.

Verwandte Begriffe

• Die Mastergleichung — dort ist der Myonenfluss einer von vier Beiträgen
• Wirkungsquerschnitt — warum Myonen stärker wechselwirken als Neutrinos
• Neutrinooszillation — Myonen und Neutrinos entstehen gemeinsam im Luftschauer
• Neutrinovoltaik — der Ansatz, der beide Ströme nutzen möchte

Quellen

• Particle Data Group: Review of Particle Physics — Cosmic Rays (2022).
• K. Morishima u. a.: Discovery of a big void in Khufu's Pyramid by observation of cosmic-ray muons. Nature 552, 386–390 (2017).
• H. Tanaka u. a.: Arbeiten zur Myographie von Vulkanen, Earth and Planetary Science Letters, ab 2007.