Zeitdilatation bewegter Teilchen

Die Zeitdilatation bewegter Teilchen kann durch Lebensdauermessungen von Teilchen bestimmt werden. Die Zeitdilatation gemäß der speziellen Relativitätstheorie besagt, dass wenn eine Uhr C zwischen zwei synchronisierten, in einem Labor ruhenden Uhren A und B bewegt wird, sie gegenüber den beiden Uhren zeitlich nachgeht. Da prinzipiell jeder periodische Vorgang als Uhr bezeichnet werden kann, gilt dies z.b. auch für die Lebensdauern bzw. Zerfallszeiten von instabilen Teilchen wie beispielsweise Myonen. Das heißt, bewegte Myonen müssten einer längere Lebensdauer haben als ruhende. Zum Nachweis dieses Effekts werden Messungen in der Atmosphäre als auch in Teilchenbeschleunigern mit verschiedenen Teilchenarten durchgeführt, wobei alle Resultate die Zeitdilatation bestätigen. Andere Experimente zur Zeitdilatation gehören zur Gruppe der Ives-Stilwell-Experimente (vgl. auch Tests der speziellen Relativitätstheorie).

Rossi-Hall-Experiment

Beim Auftreffen der kosmischen Strahlung auf die Moleküle der oberen Luftschichten entstehen in 9 bis 12 Kilometern Höhe Myonen. Sie sind einer der Hauptbestandteile der sekundären kosmischen Strahlung, bewegen sich in Richtung Erdoberfläche mit nahezu Lichtgeschwindigkeit weiter und können dort nur wegen der relativistischen Zeitdilatation detektiert werden, denn ohne diesen relativistischen Effekt würde die Reichweite nur etwa 600 m betragen: In einem von Bruno Rossi und D. B. Hall durchgeführten Experiment (1941) wurde die Anzahl der Myonen, die in verschiedenen Höhen ankommen, gemessen. Durch eine spezielle Filteranordnung ist es möglich, die Messung auf solche Myonen zu beschränken, die sich mit 99,94 % der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Der Vergleich der gemessenen Anzahlen ermöglicht es, die Halbwertszeit der schnell bewegten Myonen zu bestimmen. Diese ist mit 1,3 · 10⁻⁵ s um ein Vielfaches höher als die Halbwertszeit von ruhenden Myonen mit 2,197 · 10⁻⁶ s. Die schnell bewegten Myonen zerfallen also langsamer als ihre unbewegten Gegenstücke (ein Nachweis der Zeitdilatation; siehe auch Lorentzkontraktion).^{[1] [2] [3] [4]} Ein ähnliches Experiment wurde mit erhöhter Präzision von Frisch und Smith (1963) ausgeführt.^[5]

Labortests

Tests der Lebensdauer werden jedoch vor allem in Teilchenbeschleunigern durchgeführt, wobei diese ebenfalls die Zeitdilatation mit großer Genauigkeit bestätigen. Durch Vergleich der Lebensdauern von positiven und negativen Teilchen, wurde bei einigen dieser Experimente neben der Zeitdilatation auch das CPT-Theorem bestätigt.

Pion	Kaon	Myon
Durbin et al. (1952)[6] Eckhause et al. (1965)[7] Nordberg et al. (1967)[8] Greenburg et al. (1969)[9] Ayres et. al (1971)[10]	Burrowes et al. (1959)[11] Nordin (1961)[12] Boyarski et al. (1962)[13] Lobkowicz et al. (1969)[14] Ott et al. (1971)[15] Skjeggestad et al. (1971)[16] Geweniger et al. (1974)[17] Carithers et al. (1975)[18]	Lundy (1962)[19] Meyer et al. (1963)[20] Eckhause et al. (1963)[21] Balandin et al. (1974)[22] Bailey et al. (1977)[23][24]

Bailey et al. (1977)^[23], welche die Lebensdauer von positiven und negativen Myonen im Speicherring des CERN überprüften, schickten die Teilchen auf eine Kreisbahn, sodass sie mehrmals wieder zum Ausgangsort zurück kamen. Damit ist dieses Experiment auch eine Bestätigung des Zwillingsparadoxon, nämlich der Aussage, dass eine zum Ausgangsort zurück kommende Uhr, gegenüber der zurückgebliebenen Uhr nachgeht. Darüber hinaus wird in modernen Teilchenbeschleunigern die Zeitdilatation bereits routinemäßig bestätigt.

Weblinks und Literatur

• Bonizzoni, Ilaria; Giuliani, Giuseppe, The interpretations by experimenters of experiments on 'time dilation': 1940-1970 circa, arXiv:physics/0008012
• T Roberts/S Schleif (2007): What is the experimental basis of Special Relativity?. Usenet Physics FAQ. University of California, Riverside. Abgerufen am 21. Mai 2011.
• Time Dilation - An Experiment With Mu-Mesons

Einzelnachweise

1. ↑ Rossi, B.; Hall, D. B.: Variation of the Rate of Decay of Mesotrons with Momentum. In: Physical Review. 59, Nr. 3, 1941, S. 223-228. doi:10.1103/PhysRev.59.223.
2. ↑ Rossi, B.; Greisen, K.; Stearns, J. C.; Froman, D. K.; Koontz, P. G.: Further Measurements of the Mesotron Lifetime. In: Physical Review. 61, Nr. 11-12, 1942, S. 675-679. doi:10.1103/PhysRev.61.675.
3. ↑ Rossi, B.; Nereson, N.: Experimental Determination of the Disintegration Curve of Mesotrons. In: Physical Review. 62, Nr. 9-10, 1942, S. 417-422. doi:10.1103/PhysRev.62.417.
4. ↑ Rossi, B.; Nereson, N.: Further Measurements on the Disintegration Curve of Mesotrons. In: Physical Review. 64, Nr. 7-8, 1943, S. 199-201. doi:10.1103/PhysRev.64.199.
5. ↑ Frisch, David H.; Smith, James H.: Measurement of the Relativistic Time Dilation Using μ-Mesons. In: American Journal of Physics. 31, Nr. 5, 1963, S. 342-355. doi:10.1119/1.1969508.
6. ↑ Durbin, R. P.; Loar, H. H.; Havens, W. W.: The Lifetimes of the π⁺ and π^-Mesons. In: Physical Review. 88, Nr. 2, 1952, S. 179-183. doi:10.1103/PhysRev.88.179.
7. ↑ Eckhause, M.; Harris, R. J., Jr.; Shuler, W. B.; Siegel, R. T.; Welsh, R. E.: Remeasurement of the π+ lifetime. In: Physics Letters. 19, Nr. 4, 1967, S. 348-350. doi:10.1016/0031-9163(65)91016-4.
8. ↑ Nordberg, M. E.; Lobkowicz, F.; Burman, R. L.: Remeasurement of the π+ lifetime. In: Physics Letters B. 24, Nr. 11, 1967, S. 594-596. doi:10.1016/0370-2693(67)90401-7.
9. ↑ Greenberg, A. J.; Ayres, D. S.; Cormack, A. M.; Kenney, R. W.; Caldwell, D. O.; Elings, V. B.; Hesse, W. P.; Morrison, R. J.: Charged-Pion Lifetime and a Limit on a Fundamental Length. In: Physical Review Letters. 23, Nr. 21, 1969, S. 1267-1270. doi:10.1103/PhysRevLett.23.1267.
10. ↑ Ayres, D. S.; Cormack, A. M.; Greenberg, A. J.; Kenney, R. W.; Caldwell, D. O.; Elings, V. B.; Hesse, W. P.; Morrison, R. J.: Measurements of the Lifetimes of Positive and Negative Pions. In: Physical Review D. 3, Nr. 5, 1971, S. 1051-1063. doi:10.1103/PhysRevD.3.1051.
11. ↑ Burrowes, H. C.; Caldwell, D. O.; Frisch, D. H.; Hill, D. A.; Ritson, D. M.; Schluter, R. A.: K-Meson-Nucleon Total Cross Sections from 0.6 to 2.0 Bev. In: Physical Review Letters. 2, Nr. 3, 1959, S. 117-119. doi:10.1103/PhysRevLett.2.117.
12. ↑ Nordin, Paul: S- and P-Wave Interactions of K- Mesons in Hydrogen. In: Physical Review. 123, Nr. 6, 1961, S. 2168-2176. doi:10.1103/PhysRev.123.2168.
13. ↑ Boyarski, A. M.; Loh, E. C.; Niemela, L. Q.; Ritson, D. M.; Weinstein, R.; Ozaki, S.: Study of the K+ Decay. In: Physical Review. 128, Nr. 5, 1962, S. 2398-2402. doi:10.1103/PhysRev.128.2398.
14. ↑ Lobkowicz, F.; Melissinos, A. C.; Nagashima, Y.; Tewksbury, S.; von Briesen, H.; Fox, J. D.: Precise Measurement of the K+K- Lifetime Ratio. In: Physical Review. 185, Nr. 5, 1969, S. 1676-1686. doi:10.1103/PhysRev.185.1676.
15. ↑ Ott, R. J.; Pritchard, T. W.: Precise Measurement of the K+ Lifetime. In: Physical Review D. 3, Nr. 1, 1971, S. 52-56. doi:10.1103/PhysRevD.3.52.
16. ↑ Skjeggestad, O.; James, F.; Montanet, L.; Paul, E.; Saetre, P.; Sendall, D. M.; Burgun, G.; Lesquoy, E.; Muller, A.; Pauli, E.; Zylberajch, S.: Measurement of the KSO mean life. In: Nuclear Physics B. 48, Nr. 2, 1972, S. 343-352. doi:10.1016/0550-3213(72)90174-5.
17. ↑ Geweniger, C.; Gjesdal, S.; Presser, G.; Steffen, P.; Steinberger, J.; Vannucci, F.; Wahl, H.; Eisele, F.; Filthuth, H.; Kleinknecht, K.; Lüth, V.; Zech, G.: A new determination of the Ko --> π+π- decay parameters. In: Physics Letters B. 48, Nr. 5, 1974, S. 487-491. doi:10.1016/0370-2693(74)90385-2.
18. ↑ Carithers, W. C.; Modis, T.; Nygren, D. R.; Pun, T. P.; Schwartz, E. L.; Sticker, H.; Christenson, J. H.: Measurement of the Phase of the CP-Nonconservation Parameter η+- and the KS Total Decay Rate. In: Physical Review Letters. 34, Nr. 19, 1975, S. 1244-1246. doi:10.1103/PhysRevLett.34.1244.
19. ↑ Lundy, R. A.: Precision Measurement of the μ+ Lifetime. In: Physical Review. 125, Nr. 5, 1962, S. 1686-1696. doi:10.1103/PhysRev.125.1686.
20. ↑ Meyer, S. L.; Anderson, E. W.; Bleser, E.; Lederman, I. M.; Rosen, J. L.; Rothberg, J.; Wang, I.-T.: Precision Lifetime Measurements on Positive and Negative Muons. In: Physical Review. 132, Nr. 6, 1963, S. 2693-2698. doi:10.1103/PhysRev.132.2693.
21. ↑ Eckhause, M.; Filippas, T. A.; Sutton, R. B.; Welsh, R. E.: Measurements of Negative-Muon Lifetimes in Light Isotopes. In: Physical Review. 132, Nr. 1, 1963, S. 422-425. doi:10.1103/PhysRev.132.422.
22. ↑ Balandin, M. P.; Grebenyuk, V. M.; Zinov, V. G.; Konin, A. D.; Ponomarev, A. N.: Measurement of the lifetime of the positive muon. In: Soviet Physics JETP. 40, 1974, S. 811. Bibcode: 1974JETP...40..811B.
23. ↑ ^{a b} Bailey, H.; Borer, K.; Combley F.; Drumm H.; Krienen F.; Lange F.; Picasso E.; Ruden W. von; Farley F. J. M. ; Field J. H.; Flegel W. & Hattersley P. M.: Measurements of relativistic time dilatation for positive and negative muons in a circular orbit. In: Nature. 268, Nr. 5618, 1977, S. 301-305. doi:10.1038/268301a0.
24. ↑ Bailey, J.; Borer, K.; Combley, F.; Drumm, H.; Eck, C.; Farley, F. J. M.; Field, J. H.; Flegel, W.; Hattersley, P. M.; Krienen, F.; Lange, F.; Lebée, G.; McMillan, E.; Petrucci, G.; Picasso, E.; Rúnolfsson, O.; von Rüden, W.; Williams, R. W.; Wojcicki, S.: Final report on the CERN muon storage ring including the anomalous magnetic moment and the electric dipole moment of the muon, and a direct test of relativistic time dilation. In: Nuclear Physics B. 150, 1979, S. 1-75. doi:10.1016/0550-3213(79)90292-X.

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