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Das Spektrum der kosmischen Strahlung
Scheinseminar zur Astro- und Teilchenphysik WS 2003/2004
Andreas Röthlein
26.01.2004
Gliederung1. Einleitung und Grundlagen2. Direkte Messungen3. Indirekte Messungen (ausgedehnte Luft-
schauer)4. Aktuelle Ergebnisse zur hochenergetischen
kosmischen Strahlung
1.Einleitung
Überblick:
z.b.
1.Einleitung
Einordnung der kosmischen Strahlung in die Astroteilchenphysik:
1.Einleitung
Viktor Franz Hess (*1883,+1964), österr. Physiker
Historisches
1911-1912 Ballonexperimente mit Ionisations-
Nobelpreis 1936:für die Entdeckung der kosmischen Strahlung
Entdeckung einer hochionisierenden Höhen-strahlung extraterrestrischen Ursprungs
kammern bis in 5km Höhe:• Anstieg der Ionisation• Kein Tag-Nacht-Unterschied
1.Einleitung
1914 W. Kohlhörster: Ballonaufstiegbis in 9km Höhe
1938 Pierre Auger et al.: Koinzidenzmessungen mitweit auseinander liegenden Teilchendetektoren
1960er kosmische Strahlen mit Energien >
1910 eV werden detektiert
1966 K. Greisen, G. Zatsepin u. V. Kuzmin: GZK- Cut Off;
Schwellwertenergie für energiereiche Protonen bzgl. Pro-
duktion von Pionen an Photonen der kosmischen Hinter-grundstrahlung
Entdeckung von Luftschauern, hervorgerufen durch kosmische Strahlung
Bestätigung der kosmischen Strahlung
1.Einleitung
Primäre kosmische Strahlung: (Elementzusammensetzung im Energiebereich von einigen MeV bis zu einigen TeV direkt experimentell bestimmt)
Sekundäre kosmische Strahlung:
Komposition der klassischen kosmischen Strahlung(geladene Komponente):
• 98% Hadronen:- 87% Protonen- 12% Helium- 1% Kerne mit Z 3
• 2% Elektronen• (Antiprotonen, Positronen)
Hadronische und elektromagnetische Kaskaden:ausgedehnte Schauer von überlebenden Hadronen, Pionen, Kaonen, Elektronen, Photonen, Myonen, Neutrinos
Protonen
Kerne Z >2Teilchen
1.Einleitung
Die Elementzusammensetzung
Elementhäufigkeitsverteilung
der primären kosmischen Strahlung
viele Gemeinsamkeiten mit jener im Sonnensystem
Si (Z=14)
1.Einleitung
Radiokarbon-Methode (W. Libby 1947) zur Altersdatierung von ar-chäologischen und geologischen Proben
14 1 14 17 0 6 1N n C p
Erlangen: KORA (Kosmogene Radionuklide)-Team
Praktische Anwendung:
AMS (Accelerator Mass Spectrometry)-Anlage
Einfang langsamer Neutronen (Erzeugung durch kosmische Strahlung
in der oberen Erdatmosphäre) 0
tN t N e
Altersbestimmung aus dem Anteil von146C in den Proben
1.Einleitung
Das Energiespektrum der primären kosmischen Strahlung:
Über einen weiten Energiebereich folgt das Spektrum einem Potenzgesetz:
3
,d N EadAd dE GeV
: Spektralindex
Beachte: doppeltlogarithmische Auftragung!
ist Steigung im Spektrum
Isotrope Nukleonen-Strahlung an der Obergrenze der Atmosphäre: a = 18500 Nukleonen/(m² s sr GeV)und = 2.7
Spektralindex 2.5-2.7
Spektralindex 3.0
Spektralindex 2.8
1.Einleitung
2110 160eV J
Energieskala:
Proton-Ruhemasse: 1GeVElektron-Ruhemasse: 0.5MeV
Teilchenenergien in der kosmischen Strahlung:
Relativistische Kinematik
1.Einleitung
Flüsse und Experimentiermöglichkeiten:
Geladene Teilchen
Überblick über die wichtigsten Wechselwirkungsmechanismen von Strahlung mit Materie und die Hauptdetektortypen:
Elektron-Loch-Erzeugung
Ionisation Anregung Bremsstrahlung
Cherenkov-Strahlung
Halbleiter-Detektoren
Gas-Detektoren
Szintillatoren Kalorimeter Schwellwertzäh-ler, RICH
Photonenkleine Energien < 100 keV mittlere Energien 100 keV- 5 MeV hohe Energien > 5 MeV
Photoeffekt Compton- Streuung Paarbildung
Photomultiplier,Kr, Xe-Detektoren
Halbleiter-Detektoren Kalorimeter
1.Einleitung
A) Multi-Detektor- Setups: (Messdetektorsysteme aus dem Bereich der Kern- u. Elementarteilchenphysik)
2.Direkte Messungen:Ballon- und Satelliten- Experimente
• Magnetspektrometer• Kalorimeter• Szintillationszähler• Übergangsstrahlungsdetektoren• Cherenkov- Zähler, RICH• Flugzeitmessung• Antikoinzidenzsysteme• Photomultiplier• etc.
Physikalische Parameter:• Energie• Masse • Ladung
Experimentelle Konzepte und Ziele
2. Direkte Messungen
Experimentelle Konzepte und Ziele
B) Ziele:
• Zusammensetzung der kosmischen Strahlung • Energiespektren• Antimaterie und dunkle Materie
• Entstehung/Quellen• Beschleunigungsprozesse• Nukleosynthese• Propagation im interstellaren Raum
Rückschlüsse auf:
2. Direkte Messungen
Überblick über aktuelle Ballon-Experimente
Tabelle: Stand 2001
2. Direkte Messungen
Ballon- ExperimenteGespanne aus:• Ballon• Fallschirm• Nutzlast
Daten: • Volumina bis zu einer Million m³
• Nutzlasten bis zu 3 Tonnen • Flughöhen bis zu 40 km • Massenbelegung der verbleibenden Restatmo- sphäre 3-5 g/cm² (80 g/cm² mittlere freie Weglänge von Protonen in Luft; Massenbelegung Atmosphäre auf Meereshöhe ~ 1000 g/cm² äquivalent zu 1 m Blei) • Flugzeiten typischerweise 24 h; (Sommer in der Antarktis: Polumrundungen in ~ 10 Tagen)
2. Direkte Messungen
JACEE (Japanese American Cooperative
Emulsion Experiment)
ZIELE:
Beispiele:
Energie- und Massenspektrum der Teilchen im Energiebereich von etwa 1 bis 1000 TeV
2. Direkte Messungen
ISOMAX(Isotop Magnet Experiment)
ZIELE:
9/10Be• Isotopenverhältnisse von oberhalb 1 GeV• „Alter“ der kosmischen Strahlung• Dichte der interstellarenMaterie
2. Direkte Messungen
AMS 01 Testflug 1998 Space- Shuttle
AMS 02 ab 2004 ISS:
3- 5 JahreMesszeit
ZIELE:
Kernstück: Magnetspektrometer mit supraleitendem
Magneten und Siliziumstreifenzähler
Satelliten-ExperimenteBeispiele:
• Zusammensetzung der kosmischen Strahlung mit bisher unerreichter Präzision• Suche nach Antimaterie• Untersuchung der dunklen Materie
2. Direkte Messungen
(Galactic Cosmic Rays)
• Elementhäufigkeitsverteilungen des Sonnensystems und der kosmischen Strah- lung zeigen gerade- ungerade Effekt: Elemente mit geradem Z (Schalenmodell: stärker gebunden) sind häufiger
• doppelt magische Kerne (be-sonders stark gebunden, z.B.: He und O) treten häufiger auf
• Protonen weniger häufig: schwere Ionisierbarkeit von H
• Li, Be, B und Sc- Mn häufiger in CR: sehr selten bei Nukleo-synthese in Sternen; Spallationvon C, N und O bzw. Fe wäh-rend des Transports
Ergebnisse:Die Elementzusammensetzung
2. Direkte Messungen
Neuere Forschungsergebnisse bei kleineren Energien (~100 MeV):
kosmische Strahlung scheint nicht aus „frisch“ synthetisierten Elementen zu bestehen, die direkt aus den Supernova- Explosionen stammen, sondern
sie ist vielmehr eine
Hochenergetische Materieprobe aus interstellarem Gas,
beschleunigt z.B. durch von Supernova-Explosionen ausgelöste Schockwellen
Die Elementzusammensetzung
2. Direkte Messungen
Propagation der kosmischen Strahlung
Entwicklung einer Teilchendichte N(E,x,t) hinreichend beschreibbar durch eine Transportgleichung (Diffusionsgleichung für relativistische Teilchen).
2. Direkte MessungenIsotropiemessungen
Zyklotronradius eines relativistischen Teilchens (E=pc) mit Ladung e in einem Magnetfeld B:
CErceB
16 [ ][ ] 1.08 10[ ]C
E GeVr pcB T
z.B. für ein Proton im Sonnensystem:(interplanetares Magnetfeld )
12 410 [ ] 5 10 103CE eV r in pc AU
d.h. Teilchen dieser und größerer Energien behaltenRichtungsinformation innerhalb des Sonnensystems.
910B T
Beobachtete Anisotropien < 0.5% :
Kosmische Strahlung nicht aus dem Sonnensystem!
Kantenlänge: ~ 300 pc
Galaktisches Magnetfeld:102 10 T
2. Direkte Messungen
Teilchen im GeV- Bereich durchqueren im interstellaren Raum im Mittel 5- 10 g/cm² (Durchquerung der Milchstrasse: 0.16 g/cm²)
heutige Modellvorstellungen: Aufenthaltszeiten in Milchstrasse ~ 10-100 Millionen Jahre
Spallationsprozesse (während des Transports durch
interstellare Materie)
Radioaktive Isotope
Aufenthaltszeiten der Teilchen in der Milchstrasse
Isotopenhäufigkeit eines Elements
in Quelle bekannt u. Vergleich mit jener in kosmischer Strahlung
Isotopenhäufigkeiten: Kosmische Uhren
2. Direkte Messungen
Niederenergetischer Teil der ankommenden kosm-ischen Strahlung wird durch Magnetfelder der Sonne moduliert:
lokaler Fluß ist antikorreliert mit 11- jährigem Sonnen-fleckenzyklus
EAS(extensive/extended air showers)
2d N EadAd dE GeV
Potenzgesetz:
Oberhalb von nur noch indirekteMessung möglich!
1410 eV
Indirekt: Nachweis über den durch das Primärteilchen in der Atmosphäre initiiertenausgedehnten Luftschauer.
3. Indirekte Messungen
3. Indirekte Messungen
• Inelastizität• Multiplizität • Transversalimpuls
Luftschauer: (schematisch)Kaskadenprozess
3. Indirekte Messungen
3. Indirekte Messungen
Unterschiede der Schauerentwicklungin der Atmosphäre weisen auf Energie
und Masse des Primärteilchens hin
Kaskadenentwicklungenin der Atmosphäre:
Laterale Schauerbreite in km
3. Indirekte Messungen
Nachweis- und Messmethoden:• Elektronenkomponente• Hadronenkomponente• Myonenkomponente• Cherenkov-Licht• Fluoreszenz-Licht• Luftschauer- u. Detektorsimulationen• Rekonstruktion von Observablen• Analyse der Daten
Richtung, Energie und Masse der Primärteilchen
3. Indirekte Messungen
Nachweismethoden:
3. Indirekte Messungen
Beispiele: KASCADE / - Grande(Karlsruhe Shower Core and Array Detector)
ZIELE:• Energie- u. Massenspektrum im Bereich des Knies (0.1 -1000 PeV)• Untersuchung hadronischer Wechselwirkungen in diesem Energiebereich
3. Indirekte Messungen
Detektion höchstenergetischer kosmischer Strahlung:
3. Indirekte Messungen
3. Indirekte Messungen Süd- Experiment:bis 2004 1600 Sampling-Cherenkov-Detektoren (11.3m² Grundfläche) auf 3000 km² zum Nachweis der Elektronen und Myonen im Schauer
Hybridmessung
3. Indirekte Messungen
30 Fluoreszenzlicht- Teleskope(12 m² Spiegelfläche, 30°*30° Gesichtsfeld) zum Nachweis desStickstoff- Fluoreszenzlichtes und zur longitudinalen Rekonstruktion des Luftschauers
3. Indirekte Messungen
Zukünftige Projekte
EUSO (Extreme Universe SpaceObservatory): Europäisches Projekt auf ISS
OWL (Orbiting Wide-Angle Light Collector)/Air-Watch: Nasa
Fluoreszenzlicht- Nachweis
Nachweis von Fluoreszenzlicht und vom Boden reflektierten
Cherenkov-Lichts
4. Aktuelle Ergebnisse zu hochenergetischen kosmischen Strahlung
[(U)HECR: (Ultra)-High Energy Cosmic Rays]
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR
Verschiedene Theorien:
• Effekt des Transports: Entschwinden aus Galaxie (wichtige Größe bei diesen Modellen: Ladungszahl Z)
• Änderung der Quelle: Erreichen der maximalen Beschleunigung (wichtige Größe bei diesen Modellen: Ladungszahl Z)
• Unbekannter Effekt in Wechselwirkungen der Schauerentwicklung
(wichtige Größe bei diesen Modellen: Massenzahl A)
• Exotische teilchenphysikalische Prozesse (wichtige Größe bei diesen Modellen: Massenzahl A)
Das KnieWas ist die Ursache des Knies?
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR
Experimenteller Zugang:
• Energiespektrum [getrennt nach Massen (-Gruppen)] der kosmischen Strahlung• Elementzusammensetzung im Bereich des Knies • Untersuchung der Isotropie der kosmischen Strahlung• Suche nach primären Photonen (direkter Hinweis auf Quelle)• Untersuchung der hadronischen Wechselwirkung
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR
Was ist die Ursache des Knies?
Effekt des Transports: Entschwinden aus Galaxie
gibt an, wie stark ein Teilchen mit La-dung Z und relativistischem Impuls
p mvvon einem Magnetfeld gestört wird.
pcRZe
Rigidität
/gGyroradius r R B
Annahmen:• galaktisches Magnetfeld:• ab Gyroradius von 5pc beginnen Teilchen aus Milchstrasse zu entweichen
1010 T
Speicherbarer Impuls:
15max 4.6 10 eVp
c
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR
Was ist die Ursache des Knies?
1510 eVMit ist etwa Energiemaximum erreicht, das durch Supernova- Explosionen (Fermi-Beschleunigung 1. Ordnung in Schockwellen) geliefert werden kann.
Bei noch höheren Energien muss ein anderer Beschleunigungsmechanismus
herangezogen werden, der zu einem steileren Energiespektrum führt.
Änderung der Quelle: Erreichen der maximalen Beschleunigung
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECRWas ist die Ursache des Knies?
Unbekannter Effekt in Wechselwirkungen der Schauerentwicklung; Exotische teilchenphysikalische Prozesse
• Erzeugung eines neuen schweren Teilchens in der Atmosphäre, das nicht im Luftschauer gesehen wird/ plötzliche Änderung der Beschaffenheit derhadronischen Wechselwirkungbei höheren Energien
• aufgrund der Wechselwirkung der kosmischen Teilchen mit kosmischen Neutrinos durch inversen Beta- Zerfall:
• aufgrund Transformation von Energiein Gravitationsenergie
Erzeugung von Gravitonen...
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR„Poly gonato“- Modell kann Entscheidungshilfe liefern
• griech.: „viele Knie“
• Phänomenologisches Modell:- Gesamtspektrum als Summe der Elementspektren (Z =1- 92) - Elementspektrum nach phänomenologischem Ansatz:
0 0( ) 1 ˆ
C
Z
ZC
CZ
ZZ
Ed E EdE E
• 3 drei Ideen für Cut- Off- Energie:ˆ
ˆ ˆ
ˆ
p
Z p
p
E Z
E E A
E
• proportional zu Z, rigiditätsabhängig, astrophysikalische Modelle
• proportional zu A, massenabhängig, teilchenphysikalische Modelle
• konstant
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR
• Direkte Messungen (Energiespektren getrennt nach Massen) • Fit an experimentelle Daten aus indirekten Messungen (all- particle spectrum) Bestimmung der 5 Parameter
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR
Ergebnisse:
Rigiditätsabhängig:
Beste Übereinstimmung mitdem Experiment!
Massenabhängig Konstant
Rigiditätsabhängiges Knie, d.h. Knie ist astrophysikalischerund nicht teilchenphysikalischer Ursache!
(aber: Ursache durch Beschleunigung oder Transport?)
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR
Der Knöchel
• Quelle, Ursprung und Art dieser Strahlung bisher unbekannt!
Experimenteller Zugang:- Große Detektoranlagen für den Nachweis von Teilchen großerLuftschauer- Fluoreszenztechnik für longitudinale Rekonstruktion der Luft-schauer
• Energiespektrum der höchstenergetischen kosmischen Strahlung• Art dieser Teilchen• Richtungsinformation
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR
Der Greisen- Zatsepin- Kuzmin- Cut Off:Hochrelativistische Teilchen sehen Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) zu wesentlich höheren Energien verschoben.
Laborsystem Ruhesystem des ProtonsLorentz-Transformation
Ab Schwellwertenergie kommt es zu
Streuung und damit verbundenem Energieverlust der Teilchen aufgrund von Pionproduktion:
Begrenzung der Reichweite höchstenergetischer Teilchenauf ca. 100 Mpc
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR
Widersprüchliche experimentelle Daten bei noch zu schlechter Statistik:
• AGASA beobachtet übermäßig viele höchstenergetische Ereignisse (Verletzung des GZK- Cut Off?)
• HiRes, Fly´s Eye und Yakutsk nicht
AGASA- Energiespektrum(gestrichelte Linie: GZK- Cut Off)
• Relativ nahe Quellen (Entfernung < 100 Mpc) verbieten sich aber auf-grund des Hillas- Diagramms
Korrektur der Energiespektren auf gleichen Fluss bei innerhalb derEnergieunsicherheit von +/- 20% beiallen Experimenten möglich.
1910 eV
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR
Anisotropie:„Nahe“ Quellen in Milchstrasse oder lokaler Gruppe?
• Galaktisches Magnetfeld kannRichtung nicht mehr vollständig verschleiern
• bei höchsten Energien:keine Anisotropie aber einige Duplets,Triplets, allerdings ohne Counterparteiner bekannten Quelle(statistisch nicht signifikant)
1810 eV• AGASA sieht beideutliche Anhäufung der CRaus dem galaktischen Zentrum
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR
„bottom- up“- Szenarien: Beschleunigung der Teilchen
• beobachtete Teilchen entstehen bereits mit hoher Energie• X- Bosonenfragmentation von topologischen Defekten• - Zerfall an kosmologischen Neutrinos• zerfallende massive Reliktteilchen aus der Urknallphase• supersymmetrische Neutralteilchen• Neutronen, deren vorzeitiger Zerfall durch eine Verletzung der Lorentz- Invarianz unterdrückt ist
0Z
„top- down“- Szenarien:
Primäre Energiespektren, deren Hochenergieanteil wesentlich größer ist als bei Schockwellenbeschleunigung
NUR VERBESSERUNG DER STATISTIK KANN AUFSCHLUSS GEBEN!
4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR
Energiespektrum
Literatur:H. V. Klapdor-Kleingrothaus, K. ZuberTeilchenastrophysikTeubner Verlag, 1997
C. GrupenAstroteilchenphysikSpringer Verlag, 2000
M. TreichelTeilchenphysik und KosmologieSpringer Verlag, 2000
Literatur:• John G. Wilson: Kosmische Strahlen, Klett 1981 • R. Clay, B. Dawson: Cosmic bullets-high energy particles
in astrophysics, Addison Wesley, 1997• T. K. Gaisser: Cosmic rays and particle physics,
Cambridge University Press, 1994• M. S. Longair: High-energy astrophysics, Vol. 2,
Cambridge University Press, 1997
Internet:
http://www.astroteilchenphysik.dehttp://www.phys.washington.edu/~walta/cosrayresources.htmlhttp://www-hfm.mpi-hd.mpg.de/CosmicRay/CosmicRaySites.htmlhttp://www-ik.fzk.dehttp://www.auger.dehttp://www.cosmic-ray.org
Papers:• A. Haungs et al.: Energy spectrum and mass composition of high- energy cosmic rays, Rep.Prog. Phys. 66 (2003) 1145-1206
• J. R. Hörandel: On the knee in the energy spectrum of cosmic rays, Astroparticle Physics 19 (2003) 193-220
• J. W. Cronin: Cosmic rays: the most energetic particles in the universe, Rev. Mod. Phys., Vol. 71, No. 2, Centenary 1999
• T. K. Gaisser: Origin Of Cosmic Radiation, arXiv:astro-ph/0011524v1 28 Nov 2000
• J. N. Bahcall and E. Waxman: Has the GZK supression been discovered?, arXiv:hep-ph/0206217v5 27 Feb 2003
• J.R. Hörandel et al.: The knee in the energy spectrum of cosmic rays in the framework of the poly-gonato and diffusion models, pp 243-246, 2003 Universal Academy Press, Inc.
• G. Sigl: Ultrahigh- energy cosmic rays: physics and astrophysics at extreme- energies
• H. Blümer, C.-Kj. Guerard: Die höchsten Energien im Universum
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