Kosmische Strahlung auf der Erde

Kosmische Strahlung auf der

Erde Spektrum Zusammensetzung Messmethoden (direkt und indirekt) Magnetfelder

Beobachtungen in der Astroteilchenphysik Diffuser Hintergrund und Vordergrund (Rauschen)

Instrumentenrauschen Atmosphäre Planetensystem (Sonne) Vordergrundobjekte (Sterne) Galaktische Hintergrundstrahlung (Milchstrasse) Extragalaktische Hintergrundstrahlung

Punktquellen Viele* Ereignisse von einer Position am Himmel

Ausgedehnte Quellen Viele* Ereignisse einer „physikalisch“ zusammenhängenden

Region am Himmel*Viele = ein statistisch relevanter Überschuss im Vergleich zum Hintergrund

Physikalische Beobachtungsgrößen Ereignis (event)

Teilchensorte (Detektorabhängig) Position am Himmel Energie

Differentieller Fluss: Gesamtfluss:1. Bild (Gesamtfluss pro Ort)

Ausgedehnte Quelle Punktquelle

2. Lichtkurve (Gesamtfluss pro Zeitintervall) Variabilität (Zeitskala?)

3. Diff. Spektrum (Fluss pro Energie …) Potenzgesetz (nicht-thermische Quelle) Schwarzkörperspektrum (thermische Quelle)

dtdAdE

dN

dEdtdAdE

dN

dtdA

dNE

E2

1

(1)Photonen (>100MeV)Bild, Lichtkurven, Spektren

Beobachteter Gesamtfluss Ausgedehnte Quellen und Punktquellen

Bild, Lichtkurven, Spektren

Blazar PKS1622-297

Für die Hintergrundstrahlung ist keine Variabilität bekannt.

Bild, Lichtkurven, Spektren

Diffuse Hintergrundstrahlung Diskrete Quellen

(2) Neutrinos (>100 TeV) Bild, Lichtkurven, Spektren

Diskrete Quellen Sonne Supernova 1987A

AMANDA II: All sky map(nur Atmosphärische Ereignisse)

Bild, Lichtkurve, Spektren

Lichtkurve SN1987ANeutrinohintergrund

(3) Geladene Kosmische Strahlung Bild, Lichtkurven, Spektren

AUGER: (high energy) All-sky map

Keine diskrete Quellen bekannt

Bild, Lichtkurven, Spektren

Keine diskreteQuellen bekannt

Bild, Lichtkurven, Spektrum

Variabilität für E<1 GeV11 Jahre : Sonnenfleckenzyklus27 Tage : Sonnenrotation…

Teilchen der geladenen Komponente Protonen (85%) Heliume (12%) Schwere Kerne (1%) Elektronen Wenig Antiteilchen (Positronen,

Antiprotonen) wahrscheinlich nicht primär beschleunigt

Elemente-Häufigkeit Vergleich mit solarer

Verteilung Solare Verteilung

entspricht auch in anderen Sternen der Population II

Schlussfolgerung: Teilchen stammen aus Supernovaexplosionen

Direkte Messmethoden Stratosphärische

Ballons CREAM (cosmic-ray

energetics and mass) 40 km Höhe, Antarktis

PEBS (Positron Elektron Ballon Spektrometer) Entwicklungsphase

PEBS

SatellitenAMS Antimaterie, Dunkle Materie Pamela, Dunkle Materie

Detektoren für ionisierende Strahlung Elektrometer Fadenelektrometer Blasenkammer Emulsionsdetektoren Halbleiterdetektoren Szintilationsdetekoren Cherenkovlichtdetektor

Detektortypen: Photoemulsion Röntgen: X-rays, Becquerel:

Radioaktive Strahlung Sensitiv bezüglich Elektronen

aus Ionisierungsverlusten von geladenen Teilchen

Hohe Konzentration Silberbromid (AgBr) in Gelantine

Geladene Teilchen erzeugen Elektronen entlang ihrer Flugbahn durch das Gel

Es entsteht Silber entlang des Weges

Der Rest wird durchsichtig

Detektortypen: Halbleiter Geladene Teilchen erzeugen Elektron-

Loch Paare Sensitiver als Gasdetektoren:

Silikon (3.5 eV) Germanium (2.94 eV) Gas ~30 eV für Ionisierung

Detektortypen: Szintilationsdetektor

KS erzeugte Elektron Elektron erzeugt Photonen in einem Kristall Photonen erzeugen Photoelektronen in Photokathode Photomultiplier vervielfältigt Elektron Nachteil:

Szintilationsmaterial konvertiert nur 3% der Elektronenergie

Kathodeneffizienz ist ca. 10-20% (von 5-10 Photonen an der Photokathode wird nur Elektron frei)

Messung durch Ionisation Photonen (Lambert-Beer-Bouguer-Gesetz)

ist Absorptionkoeffizient n Anzahldichte Querschnitt der absorbierenden Teilchen

Niederenergetische Teilchen ~eV

Hochenergetische Teilchen nach Bethe-Bloch Formel

n

eIxI x

0)(

Bethe-Bloch-Formel

Z

C

I

Ecmz

A

ZD

dx

dE e

2

2ln2

1 22

max222

2

2

D = 0.307 MeV cm2/g z, : Ladungszahl und Geschwindigkeit des Teilchens Z, A, : Kernladungszahl, Massenzahl und Dichte des Mediums I ~ 16 Z0.9 eV: effektives Ionisationspotential der Atome des

Mediums Emax : maximaler Energieübertrag auf ein Hüllenelektron, der

sich beim zentralen Stoß ergibt , C sind Dichtekorrekturen bei großen Energien und

Schalenkorrekturen bei kleinen Energien

Mittlerer Energieverlust

dxdE

dEdx

dxTdx

dEdE

/

)(

Energieverluste Elektronen

Beispiel: OGO-1 (1964)

4321 DDDD

Detektor

Isotope

Geladene Komponente (>100 TeV)

Das Knie Beschleunigungsmechanismen in den Quellen der

kosmischen Strahlung Beitrag unterschiedlicher Elemente

Geladene Komponente (>1019 eV)

GZK-Cut-off Wechselwirkung von

hochenergetischen Protonen mit Photonen

Optische Tiefe:d= n() dl Kenneth Greisen, Georgi Zatsepin und Vadem Kuzmin (“GZK cut-off”)

Photon Photon

Photon

Photon

P P+ 0

Pn

e-

GZK-Cut-off

GZK-Cut-off Hochenergetische

Ereignisse stammen von Quellen < 50Mpc

Galaktische Quellen ? „Top-Down“ Szenarios Auger bestätigt

Ereignisse >50 EeV Korrelation mit

Supergalaktischen Ebene

Anisotropie bei den höchsten Energien Galaktisches Magnetfeld

hat fast keinen Einfluss mehr

Gyroradius

G=103 (1TeV): rg=3x1012m = 20AU

Korrelationsstudie möglich

Tabelle AUGER Ereignisse 27 (total),20 (AGB

corr) ,5.0 (erwarte bei Isotropie)

mTBrg )10/(103 99

Indirekte Beobachtung

Vortragsthemen Neutrinosuche mit Radiobeobachtungen

Im Eis (Rice) Im Mond (Lunaska, Glue, etc) Lofar

Auf der Suche nach Dunkler Materie AMS Pamela

Photon-Oszillation Paraphotonen Axionen

Kosmische Strahlung bei den höchsten Energien AUGER und AGN