Hauptseminar WS 2006 - Radboud Universiteitparticle.astro.ru.nl/hs0607/V-Vogel.pdf · 2007-02-12 · 44 Hauptseminar WS 06/07 Martin Vogel Literatur / Quellen J. Blümer, R. Engel,

1Hauptseminar

WS 06/07Martin Vogel

Hauptseminar WS 2006:

Galaktische und

extragalaktische

Kosmische Strahlung

2Hauptseminar


Überblick

1. Geschichte

2. Das Spektrum der kosmischen Strahlung

3. Beschleunigung und Ausbreitung

4. Messung (direkt und indirekt)

5. Komposition der kosmischen Strahlung

6. Interpretation: „Knie“, „Knöchel“

7. Höchste Energien und GZK-Unterdrückung

8. Ausblick

3Hauptseminar


Geschichte

● 1912 Ballonflüge von Victor Hess; Vermutung extraterrestrische Strahlungsquelle

● 1929 W.Bothe und W. Kolhörster: Messung koinzidenter Signale (Geiger-Müller-Zählrohre)

● 1930er Entdeckung von Positron, Pion und Myon

4Hauptseminar


Geschichte

● 1938 Pierre Auger: Kaskaden von Sekundärteilchen verursacht durch hochenergetische Primärteilchen

● 1940er Komposition der KS wurde untersucht; erste große Detektorarrays

● 1962 Erste Messung eines Teilchen mit Energie 1020eV

5Hauptseminar


Wichtige Größen

● Parsec: 1 pc = 3,1x1016 m = 3,3 LJ

● Gauss: 1 Gauss = 1x10-4 Tesla

● Steradiant sr: Raumwinkel

● Elektronenvolt: 1eV = 1,6x10-19 Joule

● Energie: 1 erg = 0,1 µJ

● SI-Präfixe: Mega 106 Giga 109

Tera 1012 Peta 1015

Exa 1018 Zeta 1021

6Hauptseminar


Das Spektrum der kosmischen Strahlung

Merkmale:● Knie● 2. Knie (?)● Knöchel● GZK-

Unterdrückung (?)● Potenzgesetz

dN/dE ~ EγKnie

Knöchel

7Hauptseminar


Quellen, Beschleunigung, Ausbreitung, Messung

8Hauptseminar


Quellen, Beschleunigung, Ausbreitung, Messung

9Hauptseminar


Beschleunigungs-Mechanismus(s.a. Vortrag von Alexander Förste)

Fermi-Beschleunigung

Potenzgesetz

10Hauptseminar


Unsere Galaxie

● Spiralgalaxie● Magnetfeld ~3µG

(Sonnensystem)● Galaktische Ebene ~200 pc● Radius: ~15-20 kpc● Zentrum-Erde: ~8 kpc● Halo 2-4kpc ?

11Hauptseminar


Direkte Messung KS(s.a. Vortrag von Markus Helfrich)

● Ballonflüge● Satelliten● Problem: zu kleine

Fläche zur Messung UHECR

12Hauptseminar


Elementare Zusammensetzung des Flusses

●E = 1 TeV●Abweichungen z.B. bei CNO, Fe, Ne, Pb●~50% Protonen●~25% Heliumkerne●~13% CNO-Kerne●<1% Elektronen●<0,1% Gammastr.

13Hauptseminar


Elementare Zusammensetzung des Flusses

14Hauptseminar


Indirekte Messung KS(s.a. Vortrag von Martin Will)

KASCADE-Array im FZK

Fluoreszenzteleskop AUGER

● höhere Statistik● ungenauer

15Hauptseminar


Das Knie der Kosmischen Strahlung

direkt indirekt

(R.Engel)

16Hauptseminar


Das Knie der Kosmischen Strahlung

Knie

2. Knie ?

Knöchel

?(R.Engel)

17Hauptseminar


Mögliche Ursachen für das Knie

● Maximale Energie in SN-Shockfronten limitiert

● Entweichen von KS ab einer bestimmten Energie aus der Galaxie

● Nicht indentifizierte Komponente in der Luftschauer-Entwicklung

● Einzelne nahe Quelle

18Hauptseminar


Limitierte Energie in SN-Schockfronten

● Effizienz der Teilchenbeschleuniger nimmt ab

● Emax

= ~Z·B·L

● Emax

≈ Z∙1015eV

● Beschleunigungs-dauer

19Hauptseminar


Energieabhängiges Entweichen aus der Galaxie

● Leaky Box Model● Gyroradius ~1/(B·Z)● Entweichwahrscheinlichkeit

~ 1/Z● ⇨Cut-off Z-abhängig

20Hauptseminar


Unbekannte Komponente in der Luftschauerentwicklung

~105 Teilchen~106 Teilchen

Eisen 56 Nukleonen

Proton

● unbekannte Komponente ab bestimmter Energie

● Faktor 56 zwischen den jeweiligen Cut-offs

21Hauptseminar


Einzelne nahe Quellen

● Einzelne/wenige Quellen in der Nähe● Hintergrund mit Überlagerung● Z-Abhängigkeit

22Hauptseminar


Messergebnisse KASCADE (SIBYLL2.1)

(H. Ulrich)

23Hauptseminar



(H. Ulrich)

24Hauptseminar



(H. Ulrich)

25Hauptseminar


Messergebnisse KASCADE (QGSJET 01)

(H. Ulrich)

26Hauptseminar


Messergebnisse KASCADE (QGSJET 01)

(H. Ulrich)

27Hauptseminar


Proton

Helium

Eisen

28Hauptseminar


Höchste Energien

(R.Engel)

29Hauptseminar


Übergang zu extragal. KS

Larmorradius● Für Protonen:

E1kpc

= 2,7·1018 eV

E15kpc

= 4·1019 eV

● Für Eisen:

E1kpc

= 7·1019 eV

E15kpc

= 1,1·1021 eV

30Hauptseminar



(M. Hillas)

31Hauptseminar



(M. Hillas)

32Hauptseminar


Höchste Energien: Propagation

33Hauptseminar


GZK-Unterdrückung

● GZK: Greisen Zatsepin Kuzmin● Warum theoretisch keine höheren Energien

als E=6x1019eV?● Über diesen Energien kommt es zur WW mit

dem CMB

● p + γCMB

→ Δ(1232) → p + π0 , n + π+

● Teilchen mit diesen Energien benötigen 45Mpc bis Energieverlust durch solche WW

34Hauptseminar


GZK-Unterdrückung

AGASA

HiRes

Simulation für Protonen

35Hauptseminar


Anisotropie?

AGASA

● grüne Kreise: E > 4·1019,6 eV

● rote Kästchen: E > 4·1020 eV

36Hauptseminar


GZK / UHECR

● Woher kommen die höchsternegetischen KS?

● Ankunftsrichtung zeigt auf kein bekanntes Objekt

● Was sind potentielle Kandidaten?

37Hauptseminar


Quellen kosmischer Strahlung

38Hauptseminar


Extragalaktische Quelle: Gamma-Ray-Bursts

● kurze (von 1/10s bis 100s) Ausbrüche von MeV Gamma-Rays

● Höchstenergetische Photonen 20 GeV

● Ursprung evtl. Hypernova

● weite Entfernung● seltene Ereignisse

(W. Zhang, S. Woosley)

39Hauptseminar


Extragalaktische Quelle: AGN Active Galactic Nuclei

● Ausdehnung: 0,02pc● Magnetfeld: ~5G● Hohes Strahlungsfeld im

Innern --> Energieverlust● Beschleunigung in Jets

40Hauptseminar


Top-Down-Model

● Alternative zu Beschleunigungsmodell● Superschwere X-Teilchen● Überproduktion an Photonen?● Komposition erklärbar?

41Hauptseminar


Zusammenfassung

● Niederenergetische KS ist galaktischen Ursprungs

● Knie: verschiedenes Abknicken der Elemente● Knöchel: Übergang zu extragalaktischer KS?● Höchste Energien: Fluß? Isotropie? Zerfall?

Beschleunigung? GZK-Unterdrückung? Element-Zusammensetzung?

42Hauptseminar


Zusammenfassung / Ausblick

● Auger● (EUSO)● (OWL)

www.auger.de

43Hauptseminar


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

44Hauptseminar


Literatur / Quellen

● J. Blümer, R. Engel, J. Hörandel, Review: Cosmic Rays from the Knee to the highest Energies

● T. K. Gaisser, Origin of Cosmic Rays

● J. Hörandel, Models of the knee in the energy spectrum of cosmic rays

● H. Ulrich, Indirect Measurements around the knee – recent results from KASCADE

● A. M.Hillas, The Origin of Ultra-High-Energy Cosmic Rays

● M. Nagano, A. A. Watson, Observations and implications of the ultrahigh-energy cosmic rays

● A. Haungs, H. Rebel, M. Roth, Energy spectrum and mass composition of high-energy cosmic rays

● K.-H. Kampert, Cosmic Rays from teh knee to the Ankle – Status and Prospects

● A. D. Erlykin, A. W. Wolfendale, The nature of the „knee“ in the cosmic ray energy spectrum

● T. Stanev, High Energy Cosmic Rays

● C. Grupen, Astroteilchenphysik

● http://de.wikipedia.org ; www.astroteilchenphysik.de ; www.auger.org

● http://www-ik.fzk.de/KASCADE_home.html ; http://hires.physics.utah.edu/

http://de.wikipedia.org/

http://www.astroteilchenphysik.de/

http://www.auger.org/

http://www-ik.fzk.de/KASCADE_home.html

http://hires.physics.utah.edu/

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