Kaskade und Transfer von Myonen in Wasserstoff

Abstract

In dieser Arbeit wird die Röntgenabregung von muonischen Wasserstoffatomen in reinem Wasserstoff (H), reinem Deuterium (D) und H-D Gemischen bei Dichten zwischen 0.1% und 100% Flüssigwassertoffdichte mittels CCD Technologie untersucht In reinem Wasserstoff erlaubt dies die Bestimmung der Strahlungsabregung waehrend der muonischen Kaskade. In einem HD Gemisch kann ein Muon nach Einfang am Wasserstoff zum Deuterium transferieren. In dieser Arbeit wird fuer verschiedene Gemische die Wahrscheinlichkeit (q1s) des Eintreffens des Muons am Grundzustand (1s) beim leichteren Isotop bestimmt. Bei der Untersuchung der muon-katalysierten Kernfusion ist diese Problematik unter dem "q1s Puzzle" bekannt und wird seit vielen Jahren diskutiert. Neben dem prinzipiellen Interesse an muonischen Atome ist dieser Prozess fuer muon-katalysierte Kernfusion von Bedeutung, da die Zeit bis zur Fusion vom Ausgangspunkt des Prozesses abhängt, das heisst bei welchem Atom das Muon den Grundzustand erreicht. Die Kenntnis des Wertes von q1s und seine Dichte- und Konzentrationsabhängigkeit erlaubt die Optimierung der Effizienz der Fusionsausbeute. Die Messungen in dieser Arbeit werden mit einem einfachen Kaskadenmodell interpretiert und danach mit theoretischen Simulationen verglichen.This work experimentally investigates the x-ray deexcitation of muonic hydrogen atoms formed in pure hydrogen (H), in pure deuterium (D) and in isotopic mixtures of H and D at densities between 0.1 % and 100 % of liquid hydrogen density using CCD technology. In pure hydrogens this allows to determine the radiative deexcitation in the muonic atom during the muonic cascade. In an H/D-mixture muons initially captured by a hydrogen atom transfer to the deuteron during the cascade. This work determines for different mixtures the probability of arrival in one of the ground states. In the investigation of muon-catalyzed fusion, this problem has been known as the q1s – puzzle, debated for over a decade. Beyond the fundamental understanding of muonic atoms, this process is also important for muon-catalyzed fusion ad the time needed by different processes to catalyze fusion in hydrogen mixtures depends strongly on the starting point, i.e. on which atom the muon reaches the ground (1s) state. The knowledge of the quantity q1s and its dependence on density and isotopic concentration therefore allows to optimize the efficiency of the muon-catalyzed fusion. The measurements in this work are interpreted using a simple cascade model developed for this analysis and are compared to detailed theory calculations