Das Spektrum der kosmischen Strahlung Scheinseminar zur Astro- und Teilchenphysik WS 2003/2004 Andreas Röthlein 26.01.2004

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:


Überblick über aktuelle Ballon-Experimente

Tabelle: Stand 2001


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)


JACEE (Japanese American Cooperative

Emulsion Experiment)

ZIELE:

Beispiele:

Energie- und Massenspektrum der Teilchen im Energiebereich von etwa 1 bis 1000 TeV


ISOMAX(Isotop Magnet Experiment)

ZIELE:

9/10Be• Isotopenverhältnisse von oberhalb 1 GeV• „Alter“ der kosmischen Strahlung• Dichte der interstellarenMaterie


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


(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


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


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


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


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


• Inelastizität• Multiplizität • Transversalimpuls

Luftschauer: (schematisch)Kaskadenprozess



Unterschiede der Schauerentwicklungin der Atmosphäre weisen auf Energie

und Masse des Primärteilchens hin

Kaskadenentwicklungenin der Atmosphäre:

Laterale Schauerbreite in km


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


Nachweismethoden:


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


Detektion höchstenergetischer kosmischer Strahlung:


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


30 Fluoreszenzlicht- Teleskope(12 m² Spiegelfläche, 30°*30° Gesichtsfeld) zum Nachweis desStickstoff- Fluoreszenzlichtes und zur longitudinalen Rekonstruktion des Luftschauers


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?


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


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


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


• Direkte Messungen (Energiespektren getrennt nach Massen) • Fit an experimentelle Daten aus indirekten Messungen (all- particle spectrum) Bestimmung der 5 Parameter


Ergebnisse:

Rigiditätsabhängig:

Beste Übereinstimmung mitdem Experiment!

Massenabhängig Konstant

Rigiditätsabhängiges Knie, d.h. Knie ist astrophysikalischerund nicht teilchenphysikalischer Ursache!

(aber: Ursache durch Beschleunigung oder Transport?)


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


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


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


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


„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!


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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