Zufällige Richtungen der Flugbahnen in einer Nebelkammer

Es stellt sich heraus, dass es eine Menge interessanter Physik gibt, um dies zu erklären.

Kosmische Strahlung besteht zu etwa 90 % aus Protonen und zu 10 % aus Alphateilchen (mit kleinen Mengen anderer Objekte). Diese werden jedoch meist durch Kollisionen in der oberen Atmosphäre gestoppt. Die Kollisionen erzeugen meistens Myonen, also sind die kosmischen Strahlen, die wir in Bodennähe sehen, hauptsächlich Myonen. Streng genommen sind dies bereits sekundäre kosmische Strahlen, also würde ich vermuten, dass die Spuren, die Sie in der Nebelkammer beobachten, zu tertiären Strahlen würden, aber lassen Sie uns diese Feinheiten für den Moment außer Acht lassen.

Die Spuren, die Sie in der Nebelkammer sehen, beginnen, wenn ein hochenergetisches kosmisches Strahlenmyon mit einem Luftmolekül kollidiert und es ionisiert. Die Kollision schlägt ein Elektron aus dem Molekül heraus und dieses Elektron verlässt die Bahn. Die Spur beginnt also am Ort der Myon-Molekül-Kollision und verblasst nach einigen cm, wenn das Elektron Energie verliert.

Die Frage ist also, warum das hochenergetische Myon keine Spur hinterlässt, während das niederenergetische Elektron eine Spur hinterlässt. Und die Antwort ist (wie ich durch die Erwähnung der Energie angedeutet habe), dass im Allgemeinen der Energieverlust pro Längeneinheit für niederenergetische Teilchen wie die Elektronen höher ist als für hochenergetische Teilchen wie die Myonen, dh die Elektronen interagieren stärker mit die Luft in der Kammer als die Myonen.

Der Energieverlust pro Längeneinheit wird durch die Bethe-Formel beschrieben . Anstatt nur die komplizierte und weitgehend unverständliche Formel zu zitieren, zeige ich einfach die Grafik des Energieverlusts als Funktion der Energie aus diesem Wikipedia-Artikel:

Die Energie der Myonen, die durch die kosmische Strahlung erzeugt werden, liegt an der Erdoberfläche bei etwa 4 GeV, also am rechten Ende des Diagramms, was bedeutet, dass diese Myonen nur schwach interagieren. Ich kenne die Energie der Elektronen, die die Spuren hinterlassen, nicht, aber ich würde vermuten, dass sie in der Nähe sind$1-10$MeV und interagieren daher viel stärker.