CosMO-Experiment

Das CosMO-Experiment (Cosmic Muon Observer) ermöglicht Jugendlichen und Studierenden kosmische Teilchen eigenständig zu untersuchen. Das Experiment ist aus Komponenten, wie sie auch in einem Großexperiment genutzt werden, aufgebaut und gibt so einen direkten Einblick in die wissenschaftliche Arbeit der experimentellen Astroteilchenphysik.

DESY in Zeuthen hat innerhalb des Astroteilchen-Projekts des Netzwerk Teilchenwelt das CosMO-Experiment entwickelt. Es ist eine modernere und kompaktere Version des Szintillationszähler-Experiments des QuarkNet Schülerprojekts Cosmic Ray e-Lab von Fermilab, USA. Zusammen mit anderen Instituten im Netzwerk Teilchenwelt stellt DESY das CosMO-Experiment für Projekte zur Verfügung, sowohl am Institut als auch an anderen Lernorten.

Die entscheidende Komponente des Experiments sind die Szintillatoren, in denen ein Lichtsignal entsteht, sobald diese von Myonen aus der kosmischen Strahlung durchdrungen werden. Dieses Licht wird von einem SiPM (Silicium-Photomultiplier) detektiert, der wie ein PMT sehr lichtempfindlich ist und schon wenige Photonen registrieren kann. Das elektrische Ausgangssignal des SiPM wird an eine DAQ-Karte für die Datenerfassung gesendet. Diese filtert die eingehenden Signale entsprechend der zuvor eingestellten Kriterien und sendet die gefilterten Daten weiter an ein Notebook, wo sie gespeichert werden.

Der im CosMO verwendete SiPM wird vom Hersteller Hamamatsu auch MPPC genannt, was für Multi-Pixel Photon Counter steht.

Versuchsaufbau

Das Experiment besteht aus:

drei Detektor-Boxen, bestehend aus: jeweils einem Szintillator verpackt in schwarzem Papier (1), einem SiPM (2) mit seiner Hochspannungsversorgung (3), der Regulierung (4) und dem Anschluss (5) der Spannungsversorgung sowie dem Signalausgang (7)
einer DAQ-Karte (vom Fermilab-Experiment)
einem Netbook zur Steuerung der DAQ-Karte, zur Datenspeicherung und -auswertung
dem Mess- und Auswertungsprogramm "Muonic"
einem GPS-Gerät (optional), das an die DAQ-Karte angeschlossen werden kann.

Versuchsdurchführung

Wie bei jedem Experiment müssen die Detektoren vor der eigentlichen Messung kalibriert werden. Dazu wird für jeden Detektor die Teilchenrate in Abhängigkeit von der eingestellten Schwellspannung (Threshold) gemessen. Als Richtwert für die Rate kosmischer Teilchen auf Meeresniveau gilt 1 Teilchen pro cm² und pro Minute. Aus diesem Wert kann die theoretisch maximal zu erwartende Rate entsprechend der Detektorgröße berechnet werden. Anschließend können mit den kalibrierten Detektoren diverse Fragestellungen untersucht werden. Zur Analyse der auf dem Notebook gespeicherten Daten wird das Messprogramm „Muonic“ bereitgestellt. Alternativ besteht die Möglichkeit Daten online auf Cosmic Ray e-Lab auszuwerten.

Weitere Informationen zum Versuchsaufbau und zur Durchführung der Messungen finden sich in der technischen Bedienungsanleitung zum CosMO-Experiment und der Anleitung zum Messprogramm "Muonic".

Mögliche Aufgabenstellung

Mit den Detektoren und der sehr variabel einsetzbaren DAQ-Karte lassen sich verschiedene interessante Experimente mit kosmischen Teilchen durchführen:

Messung der Teilchenrate bei verschiedenen Abständen der Detektoren und bei verschiedenen Winkeln. Dabei können auch verschiedene Einstellungen für die Koinzidenzen der Detektoren gewählt werden.
Messung von Teilchenschauer, wobei der horizontale Abstand der Detektoren variiert werden sollte.
Messung der Geschwindigkeit mit der sich ein Myon bewegt.
Messung der mittleren Lebensdauer des Myons. Dabei werden die Daten auf Ereignisse hin untersucht, bei denen innerhalb von 20 Mikrosekunden zwei Signale in einer Detektorplatte registriert wurden. Das erste Signal stammt von einem Myon und das zweite vom Zerfallsteilchen, dem Elektron bzw. Positron. Die Darstellung der Anzahl dieser Ereignisse in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz erlaubt die Bestimmung der Myon-Lebensdauer.