Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

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

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Das Spektrum der kosmischen Strahlung Scheinseminar zur Astro- und Teilchenphysik WS 2003/2004 Andreas Röthlein 26.01.2004."—  Präsentation transkript:

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

2 Gliederung 1.Einleitung und Grundlagen 2.Direkte Messungen 3.Indirekte Messungen (ausgedehnte Luft-schauer) 4.Aktuelle Ergebnisse zur hochenergetischen kosmischen Strahlung

3 1.Einleitung Überblick: z.b.

4 1.Einleitung Einordnung der kosmischen Strahlung in die Astroteilchenphysik:

5 1.Einleitung Viktor Franz Hess (*1883,+1964), österr. Physiker Historisches 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

6 1.Einleitung 1914 W. Kohlhörster: Ballonaufstieg bis in 9km Höhe 1938 Pierre Auger et al.: Koinzidenzmessungen mit weit auseinander liegenden Teilchendetektoren 1960er kosmische Strahlen mit Energien > 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

7 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 >2 Teilchen

8 1.Einleitung Die Elementzusammensetzung Elementhäufigkeitsverteilung der primären kosmischen Strahlung viele Gemeinsamkeiten mit jener im Sonnensystem Si (Z=14)

9 1.Einleitung Radiokarbon-Methode (W. Libby 1947) zur Altersdatierung von ar- chäologischen und geologischen Proben Erlangen: KORA (Kosmogene Radionuklide)-Team Praktische Anwendung: AMS (Accelerator Mass Spectrometry)-Anlage Einfang langsamer Neutronen (Erzeugung durch kosmische Strahlung in der oberen Erdatmosphäre) Altersbestimmung aus dem Anteil von in den Proben

10 1.Einleitung Das Energiespektrum der primären kosmischen Strahlung: Über einen weiten Energiebereich folgt das Spektrum einem Potenzgesetz: : Spektralindex Beachte: doppeltlogarithmische Auftragung! ist Steigung im Spektrum Isotrope Nukleonen-Strahlung an der Obergrenze der Atmosphäre: a = Nukleonen/(m² s sr GeV) und = 2.7 Spektralindex Spektralindex 3.0 Spektralindex 2.8

11 1.Einleitung Energieskala: Proton-Ruhemasse: 1GeV Elektron-Ruhemasse: 0.5MeV Teilchenenergien in der kosmischen Strahlung: Relativistische Kinematik

12 1.Einleitung Flüsse und Experimentiermöglichkeiten:

13 Geladene Teilchen Überblick über die wichtigsten Wechselwirkungsmechanismen von Strahlung mit Materie und die Hauptdetektortypen: Elektron-Loch- Erzeugung IonisationAnregungBremsstrahlungCherenkov- Strahlung Halbleiter- Detektoren Gas- Detektoren SzintillatorenKalorimeterSchwellwertzäh- ler, RICH Photonen kleine Energien < 100 keVmittlere Energien 100 keV- 5 MeVhohe Energien > 5 MeV PhotoeffektCompton- StreuungPaarbildung Photomultiplier, Kr, Xe-Detektoren Halbleiter-DetektorenKalorimeter 1.Einleitung

14 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

15 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:

16 2. Direkte Messungen Überblick über aktuelle Ballon-Experimente Tabelle: Stand 2001

17 2. Direkte Messungen Ballon- Experimente Gespanne 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)

18 2. Direkte Messungen JACEE (Japanese American Cooperative Emulsion Experiment) ZIELE: Beispiele: Energie- und Massenspektrum der Teilchen im Energiebereich von etwa 1 bis 1000 TeV

19 2. Direkte Messungen ISOMAX (Isotop Magnet Experiment) ZIELE: Isotopenverhältnisse von oberhalb 1 GeV Alter der kosmischen Strahlung Dichte der interstellaren Materie

20 2. Direkte Messungen AMS 01 Testflug 1998 Space- Shuttle AMS 02 ab 2004 ISS: 3- 5 Jahre Messzeit ZIELE: Kernstück: Magnetspektrometer mit supraleitendem Magneten und Siliziumstreifenzähler Satelliten-Experimente Beispiele: Zusammensetzung der kosmischen Strahlung mit bisher unerreichter Präzision Suche nach Antimaterie Untersuchung der dunklen Materie

21 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; Spallation von C, N und O bzw. Fe wäh- rend des Transports Ergebnisse: Die Elementzusammensetzung

22 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

23 2. Direkte Messungen Propagation der kosmischen Strahlung Entwicklung einer Teilchendichte N(E,x,t) hinreichend beschreibbar durch eine Transportgleichung (Diffusionsgleichung für relativistische Teilchen).

24 2. Direkte Messungen Isotropiemessungen Zyklotronradius eines relativistischen Teilchens (E=pc) mit Ladung e in einem Magnetfeld B: z.B. für ein Proton im Sonnensystem: (interplanetares Magnetfeld ) d.h. Teilchen dieser und größerer Energien behalten Richtungsinformation innerhalb des Sonnensystems. Beobachtete Anisotropien < 0.5% : Kosmische Strahlung nicht aus dem Sonnensystem! Kantenlänge: ~ 300 pc Galaktisches Magnetfeld:

25 2. Direkte Messungen Teilchen im GeV- Bereich durchqueren im interstellaren Raum im Mittel g/cm² (Durchquerung der Milchstrasse: 0.16 g/cm²) heutige Modellvorstellungen: Aufenthaltszeiten in Milchstrasse ~ 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

26 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

27 EAS (extensive/extended air showers) Potenzgesetz: Oberhalb von nur noch indirekte Messung möglich! Indirekt: Nachweis über den durch das Primärteilchen in der Atmosphäre initiierten ausgedehnten Luftschauer. 3. Indirekte Messungen

28 Inelastizität Multiplizität Transversalimpuls Luftschauer: (schematisch) Kaskadenprozess

29 3. Indirekte Messungen

30 Unterschiede der Schauerentwicklung in der Atmosphäre weisen auf Energie und Masse des Primärteilchens hin Kaskadenentwicklungen in der Atmosphäre: Laterale Schauerbreite in km

31 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

32 3. Indirekte Messungen Nachweismethoden:

33 3. Indirekte Messungen Beispiele: KASCADE / - Grande (Karlsruhe Shower Core and Array Detector) ZIELE: Energie- u. Massenspektrum im Bereich des Knies ( PeV) Untersuchung hadronischer Wechselwirkungen in diesem Energiebereich

34 3. Indirekte Messungen Detektion höchstenergetischer kosmischer Strahlung:

35 3. Indirekte Messungen

36 Süd- Experiment: bis Sampling-Cherenkov- Detektoren (11.3m² Grundfläche) auf 3000 km² zum Nachweis der Elektronen und Myonen im Schauer Hybridmessung

37 3. Indirekte Messungen 30 Fluoreszenzlicht- Teleskope (12 m² Spiegelfläche, 30°*30° Gesichtsfeld) zum Nachweis des Stickstoff- Fluoreszenzlichtes und zur longitudinalen Rekonstruktion des Luftschauers

38 3. Indirekte Messungen Zukünftige Projekte EUSO (Extreme Universe Space Observatory): Europäisches Projekt auf ISS OWL (Orbiting Wide-Angle Light Collector)/ Air-Watch: Nasa Fluoreszenzlicht- Nachweis Nachweis von Fluoreszenzlicht und vom Boden reflektierten Cherenkov- Lichts

39 4. Aktuelle Ergebnisse zu hochenergetischen kosmischen Strahlung [(U)HECR: (Ultra)-High Energy Cosmic Rays]

40 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 Knie Was ist die Ursache des Knies?

41 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

42 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 von einem Magnetfeld gestört wird. Rigidität Annahmen: galaktisches Magnetfeld: ab Gyroradius von 5pc beginnen Teilchen aus Milchstrasse zu entweichen Speicherbarer Impuls:

43 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Was ist die Ursache des Knies? Mit 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

44 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Was 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 der hadronischen Wechselwirkung bei höheren Energien aufgrund der Wechselwirkung der kosmischen Teilchen mit kosmischen Neutrinos durch inversen Beta- Zerfall: aufgrund Transformation von Energie in Gravitationsenergie Erzeugung von Gravitonen...

45 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: 3 drei Ideen für Cut- Off- Energie: proportional zu Z, rigiditätsabhängig, astrophysikalische Modelle proportional zu A, massenabhängig, teilchenphysikalische Modelle konstant

46 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

47 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Ergebnisse: Rigiditätsabhängig: Beste Übereinstimmung mit dem Experiment! Massenabhängig Konstant Rigiditätsabhängiges Knie, d.h. Knie ist astrophysikalischer und nicht teilchenphysikalischer Ursache! (aber: Ursache durch Beschleunigung oder Transport?)

48 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Der Knöchel Quelle, Ursprung und Art dieser Strahlung bisher unbekannt! Experimenteller Zugang: - Große Detektoranlagen für den Nachweis von Teilchen großer Luftschauer - Fluoreszenztechnik für longitudinale Rekonstruktion der Luft- schauer Energiespektrum der höchstenergetischen kosmischen Strahlung Art dieser Teilchen Richtungsinformation

49 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 Protons Lorentz-Transformation Ab Schwellwertenergiekommt es zu Streuung und damit verbundenem Energieverlust der Teilchen aufgrund von Pionproduktion: Begrenzung der Reichweite höchstenergetischer Teilchen auf ca. 100 Mpc

50 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 der Energieunsicherheit von +/- 20% bei allen Experimenten möglich.

51 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Anisotropie: Nahe Quellen in Milchstrasse oder lokaler Gruppe? Galaktisches Magnetfeld kann Richtung nicht mehr vollständig verschleiern bei höchsten Energien: keine Anisotropie aber einige Duplets, Triplets, allerdings ohne Counterpart einer bekannten Quelle (statistisch nicht signifikant) AGASA sieht bei deutliche Anhäufung der CR aus dem galaktischen Zentrum

52 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 top- down- Szenarien: Primäre Energiespektren, deren Hochenergieanteil wesentlich größer ist als bei Schockwellenbeschleunigung NUR VERBESSERUNG DER STATISTIK KANN AUFSCHLUSS GEBEN!

53 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Energiespektrum

54

55 Literatur: H. V. Klapdor-Kleingrothaus, K. Zuber Teilchenastrophysik Teubner Verlag, 1997 C. Grupen Astroteilchenphysik Springer Verlag, 2000 M. Treichel Teilchenphysik und Kosmologie Springer Verlag, 2000

56 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:

57 Papers: A. Haungs et al.: Energy spectrum and mass composition of high- energy cosmic rays, Rep.Prog. Phys. 66 (2003) J. R. Hörandel: On the knee in the energy spectrum of cosmic rays, Astroparticle Physics 19 (2003) 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/ v1 28 Nov 2000 J. N. Bahcall and E. Waxman: Has the GZK supression been discovered?, arXiv:hep-ph/ v5 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 , 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


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

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen