Kosmische Strahlung Seminarvortrag am 22.11.2004 Scheinseminar zur Astro- und Teilchenphysik...

Kosmische Strahlung

Kosmische StrahlungSeminarvortrag am 22.11.2004

Scheinseminar zur Astro- und Teilchenphysik

Friederike Deffner

Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg

2Kosmische Strahlung

Gliederungspunkte Einführung

Zusammensetzung der kosmischen Strahlung

Energiespektrum

Ursprung

Beschleunigung

Propagation

Direkter Nachweis

Indirekter Nachweis

Zusammenfassung

3Kosmische Strahlung

• 1912 Viktor Hess: Ballonexperimente bis zu 5000m Höhe Intensität nimmt mit der Höhe zu! Strahlung kommt aus Universum

1936: Nobelpreis

• 1914 W. Kohlhörster: Ballonaufstieg bis zu 9000m: Bestätigung der Ergebnisse

Die Geschichte der Kosmischen StrahlungEinführung

Kosmische Strahlung

4Kosmische Strahlung

• 1927 Clay: Intensität der kosmischen Strahlung hängt von geomagnetischer Breite ab

Hinweis auf Teilchencharakter

• 1927 D. Skobelzyn: Sekundärteilchen mit Nebelkammer photographiert

• 1938 P. Auger: Ausgedehnte Luftschauer

Einführung

5Kosmische Strahlung

Einteilung • Röntgen- und Gamma-Strahlung• Hochenergetische Neutrinos• Klassische kosmische Strahlung (p, e-, Kerne)

- Primäre Komponente: Durch Erdatmosphäre unbeeinflusst ankommende

Strahlung- Sekundäre Komponente: Wechselwirkung der primären Strahlung mit

Atmosphäre Ausgedehnte Luftschauer (u.a. Pionen, Myonen,

Neutrinos, Elektronen, Photonen)

Einführung

6Kosmische Strahlung

Zusammensetzung und Spektrum der primären kosmischen Strahlung

• Energiespektrum reicht bis zu Teilchenenergien von mindestens 1020eV

• Im Bereich von einigen MeV bis zu wenigen TeV ist Zusammensetzung direkt experimentell bestimmt:

- 98% Kerne Davon: 87% Protonen 12% α-Teilchen 1% schwerere Elemente (Z>2)- 2% Elektronen- Antiprotonen, Positronen

Zusammensetzung

7Kosmische Strahlung

Vergleich mit der chemischen Zusammensetzung des Sonnensystems

• Weitgehende Übereinstimmung mit den solaren Werten

• Einige signifikante Unterschiede:- H und He unterhäufig- Li, Be, B, und Kerne

unterhalb von Fe überhäufig

Zusammensetzung

8Kosmische Strahlung

Energiespektrum• Sehr steil, keine

Einzelheiten erkennbar

• Andere Skalierung

Energiespektrum

9Kosmische Strahlung

• Knie bei etwa 1015eV

• Knöchel bei etwa 1018eV

• Für Energien unterhalb des Knöchels wird das Spektrum gut durch ein Potenzgesetz beschrieben:

Energiespektrum

• Für Energien <1015eV: γ ~ 2,7

• Für höhere Energien bis 1018eV: γ ~ 3

dN/dE ~ E-γ

10Kosmische Strahlung

Im niederenergetischen Teil (E<1GeV): Beeinflussung durch Sonnenwinde 11jährige Modulation

Das Knie (E~1015eV):- Unterschiedlicher Teilchenursprung?- Andere Beschleunigungsmechanismen?- Teilchen verlassen Milchstraße?- Exotische Teilchenprozesse?

Energiespektrum E<1015eV / Knie

11Kosmische Strahlung

Welche Teilchen sind dafür verantwortlich?• Protonen: GZK-Cut-Off : γ + p p + π0 und γ + p n + π+

Reichweite: einige10Mpc• Kerne: GZK-Cut-Off bei höheren Energien• Photonen: Paarbildung: γ + γ e+ e- Reichweite: 10kpc

Energiespektrum Knöchel / E>1018eV

Generell stellen Ereignisse >1019eV ein Rätsel dar!

Was passiert bei E~1020eV? - Grenzenergie? - Flüsse zu gering?

Der Knöchel (E~1018eV):

Bessere Statistik nötig!

1pc= 3,26 Lj^

12Kosmische Strahlung

Elektronen• Tragen nur mit 2% zur kosmischen Strahlung bei• Comptonstreuung (invers) mit Hintergrundstrahlung

geringe Reichweite

• Entstehung:- Direkt aus Quellen kosmischer Strahlung oder - Sekundärprodukte aus Kernreaktionen im interstellaren

Medium: π+ μ+ υµ e+ υe υµ υµ π- μ- υµ e- υe υµ υµ

• Nur 10% der Elektronen aus diesem Prozess

Großteil aus gleicher Quelle wie Nukleonenkomponente

Energiespektrum

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13Kosmische Strahlung

Der Ursprung der kosmischen Strahlung• Aufgrund der enormen Energiespanne:

Mehrere verschiedene Quellen und Beschleunigungsmechanismen!

• Informationen aus: - Elementzusammensetzung- Energiespektrum- Energiedichte

• Quellensuche: - Neutrinos - γ – Strahlung - höchstenergetische Teilchen der klassischen Strahlung

Ursprung

14Kosmische Strahlung

Teilchen der klassischen kosmischen Strahlung unterhalb von etwa 1018eV haben keine Richtungsinformation mehr

Isotropie

Ursprung

15Kosmische Strahlung

• Ursprung für Teilchen <1015eV innerhalb unserer Galaxis

• Überlegungen mittels Energiedichte

• Bestätigung der Supernovaquellen durch Elementzusammensetzung

Ursprung E<1015eV

Mögliche Quellen:

Pulsare

Supernovae

Doppelsternsysteme

Teilchen mit E<1015eV

16Kosmische Strahlung

Quellen außerhalb der Milchstraße Große Ablenkradien können nicht in Milchstraße gespeichert werdenAber: Begrenzte Reichweite wegen des GZK-Cut-Offs!

Ursprung E>1018eV

Mögliche Quellen:AGNQuasare

Teilchen mit E>1018eV

17Kosmische Strahlung

Beschleunigungsmechanismen• Zyklotron Mechanismus

- Zeitveränderliche Magnetfelder- Energien bis zu 100GeV

• Sonnenfleckenpaare• Schockwellenbeschleunigung (Fermi-Beschleunigung 1.Art)

- Teilchen gewinnen Energie durch mehrfaches Durchqueren der Schockfront einer Supernova

- Sowohl ausgestoßenes, als auch interstellares Material wird beschleunigt

- Energien bis zu 100TeV

Beschleunigung

18Kosmische Strahlung

• Fermi-Mechanismus (Fermi-Beschleunigung 2. Art)

- Wechselwirkung von kosmischen Teilchen mit Magnetwolken

- Energien bis zu 1015eV • Pulsare• Doppelsternsysteme

- Plasmabewegungen durch Akkretion- Energien bis zu 1019eV

• AGN

Beschleunigung

Hauptteil der kosmischen Strahlung durch Schockwellenbeschleunigung und Nachbeschleunigung durch Fermi-Mechanismus

Beschleunigung der höchstenergetischen Teilchen vorwiegend in Pulsaren, Doppelstern-systemen und AGN

19Kosmische Strahlung

Ausbreitung der Strahlung• Aus der Häufigkeit

langlebiger radioaktiver Isotope kann auf eine Speicherzeit von etwa 2*107 Jahre geschlossen werden

• Teilchen legen gewaltige Wegstrecken zurück

• Bewegen sich auf ungeordneten Bahnen und erfüllen die gesamte Galaxis

Propagation

20Kosmische Strahlung

Direkter Nachweis primärer Strahlung

• Primäre Komponente: Durch Erdatmosphäre unbeeinflusst ankommende Strahlung

• Kann im Energiebereich unterhalb von etwa 100TeV direkt gemessen werden

• Messung mit Ballonen oder Satelliten

• Ballone messen in Höhe von ca. 40 km

Direkter Nachweis

21Kosmische Strahlung

JACEE Japanese-American Collaborative Emulsion Experiment E=1-100TeV Z<=26

JACEE-14 im Dezember 1995 in Antarktis gestartet

Ziel: Verbesserung der Kenntnisse über die Zusammensetzung der einfallenden kosmischen Teilchen und deren Energiespektren

Direkter Nachweis

22Kosmische Strahlung

Direkter Nachweis

Detektor: Spurkammer Ladung Wechselwirkungsbereich Kalorimeter Energie

PRIMARY SECTION EMULSION, CR 39, EMULSION

TARGET SECTION 6 CYCLES 0.3mm Pb, EMULSION 0.6mm SPACER, EMULSION 0.6mm SPACER, EMULSION (ONLY 4 SHOWN FOR BREVITY

CALORIMETER SECTION 5 CYCLES 1.0mm Pb 2x XRAY EMULSION

12 CYCLES 2.5mm Pb 2x XRAY EMULSION

X-Ray Film

23Kosmische Strahlung

Indirekter Nachweis der sekundären Strahlung

• Bei höheren Energien (E>1014eV): Teilchenfluss sehr klein

indirekter Nachweis der kosmischen Strahlung durch Messung der sekundären Komponente

• Sekundärteilchen entstehen durch Wechselwirkung der primären Strahlung mit unserer Atmosphäre

Indirekter Nachweis

24Kosmische Strahlung

Indirekter Nachweis

Die sekundäre kosmische Strahlung

• In Atmosphäre: Wechselwirkungen zwischen

kosmischen und atmosphärischen Teilchen

• Bei hohen Energien (>10GeV): Inelastische Hadron-Hadron Wechselwirkung

Pionen und Kaonen Verhältnis etwa 90% : 10%

• Diese sorgen neben dem primären Teilchen für weitere hadronische Wechselwirkungen Hadronischer Schauer

25Kosmische Strahlung

Indirekter Nachweis

• Teilchen können zerfallen: 

π0 2 γ , π+ μ+ + υμ , π- μ- + υμ

• Analoge Zerfälle für K-Mesonen

• Myon-Zerfall: μ+ e+ + υe + υμ , μ- e- + υe + υμ

• Hochenergetischen Photonen erzeugen durch Paarbildung e+e- -Paare und diese durch Bremsstrahlung

wieder Photonen Elektromagnetischer Schauer

Kompletter Schauer:

Elektromagnetische, hadronische, myonische und Neutrino-Komponente

_

__

26Kosmische Strahlung

Indirekter Nachweis

Schematische Darstellung eines Schauers

Teilchenhäufigkeiten in Abhängigkeit von der Schauertiefe

27Kosmische Strahlung

Nachweis der sekundären Komponente• Großflächige

Detektoren am Boden

• Cherenkov-Teleskope

• Nachweis der Fluoreszenz-strahlung

• Nachweis von Myonen in abgeschirmten Labors und Neutri- nos in Neutrino-teleskopen

Indirekter Nachweis

28Kosmische Strahlung

KASCADE Karlsruher Shower Core and Array Detektor • Messung von Energien im Bereich des Knies (E~1015eV)• Ziel: - Bestimmung des Energiespektrums und der Elementzusammensetzung der kosmischen Strahlung - Untersuchung hadronischer Wechselwirkungen

Indirekter Nachweis

29Kosmische Strahlung

Indirekter Nachweis

252 Detektorstationen: Szintillationsdetektoren

Im Zentrum der Anlage: Zentraldetektor Messung des Ortes, der Einfallsrichtung und der Energie von Hadronen Hauptkomponente ist ein Hadronenkalorimeter

30Kosmische Strahlung

Indirekter Nachweis

• Verschiedene Modellvorstellungen-Astrophysikalische Modelle (Kernladungszahl Z)

•Änderung des Beschleunigungsmechanismus•Transporteffekte: Teilchen verlassen Galaxie

-„Exotische“ Modelle (Massenzahl A)•Wechselwirkung mit Neutrinos•Andere Schauerentwicklung•Entstehung neuer Arten von Teilchen

• Simulieren und Messen der Position des Knies in Einzelspektren

Ergebnisse: Wodurch entsteht das Knie?

31Kosmische Strahlung

Indirekter Nachweis

1) Aus direkten Messungen erhaltene Energiespektren werden unter Berücksichtigung des angenommenen Modells extrapoliert

2) Vergleich mit den Ergebnissen indirekter Messungen

Modell der Z-Abhängigkeit stimmt am besten mit dem Experiment überein!

Z abhängig A abhängig konstant

32Kosmische Strahlung

P. Auger Observatory

Weltgrößtes Experiment zum Nachweis der (höchstenergetischen) kosmischen Strahlung!

Indirekter Nachweis

Besteht aus zwei Teilen:1) Auf einer Fläche von 3000 km² bilden 1600 Teilchen-detektoren eine regelmäßige Anordnung Registrierung von Cherenkovstrahlung mit Photomultipliern

33Kosmische Strahlung

Indirekter Nachweis

2) 30 Teleskope messen Fluoreszenzstrahlung:System aus Spiegeln und Photomultipliern

Die Kombination beider Detektorsysteme erlaubt Bestimmung von Einfallsrichtung, Energie und Typ des primären Teilchens

34Kosmische Strahlung

Zusammenfassung

Die kosmische Strahlung gibt nach

wie vor viele Rätsel auf, vor allem im

Bereich der höchstenergetischen

Strahlung!

Zusammenfassung

35Kosmische Strahlung

Literatur• Bücher

- Claus Grupen: Astroteilchenphysik- Hans Klapdor-Kleingrothaus: Teilchenastrophysik- A. Unsöld: Der neue Kosmos

• Internet:- www.astroteilchenphysik.de- www.auger.de- www.auger.- www.nasa.gov- marge.phys.washington.edu/jacee/

• Artikel:- J. R. Hörandel: Inconsistencies in EAS simulations - longitudinal vs.

lateral development (Nuclear Physics B, 122, 2003, pp.376-379)- J. R. Hörandel: On the knee in the energy spectrum of cosmic rays

(Astroparticle Physics 19, 2003, pp. 193-220)

Literaturverzeichnis