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Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Kosmische Höhenstrahlung besonders im Bereich des Knies Stephan Wittmann Betreuer Prof.

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Präsentation zum Thema: "Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Kosmische Höhenstrahlung besonders im Bereich des Knies Stephan Wittmann Betreuer Prof."—  Präsentation transkript:

1 Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Kosmische Höhenstrahlung besonders im Bereich des Knies Stephan Wittmann Betreuer Prof. Dr. U. Katz Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2006/

2 Wie Himmelkräfte auf und nieder steigen, Vom Himmel durch die Erde dringen, Harmonisch all das All durchdringen. Goethe, Faust

3 Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie - Überblick - Zusammensetzung und Energiespektrum - Nachweis - Ursprung und Beschleunigung - Knie

4 Entdeckung und Geschichte Wulf: Eiffelturmexperiment: Abnahme der Ionisation ionisierende Strahlung aus Erde -1911/12 Viktor Hess: Ballon- experimente: Anstieg der Ionisation ab ~1000m Neue Strahlung aus Kosmos (1936 Nobelpreis) Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

5 Kohlhörster: Bestätigung der Ergebnisse von Hess Clay: Strahlungsintensität hängt von geomagnetischer Breite ab Skobelzyn: Sekundärteilchen in Nebelkammer photographiert Bothe/Kohlhörster: Koinzidenz- messungen geladene Teilchen Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

6 Zusammensetzung -Klassische kosmische Strahlung (p, Kerne, e) - Primäre Komponente: Durch Erdatmosphäre unbeeinflusst ankommende Strahlung - Sekundäre Komponente: entsteht durch Wechsel- wirkung der primären Strahlung mit Atmosphäre Ausgedehnte Luftschauer (u.a. Pionen, Myonen, Neutrinos, Elektronen, Photonen) - Neutrinos - Hochenergetische Photonen (Gamma- und Rönt- genstrahlung

7 -Energie reicht bis über eV -Bis ~10 14 eV lässt sich Zusammensetzung bestimmen zu: - 98% Atomkerne - 87% Protonen - 12% α-Teilchen - 1% Kerne mit Z 3 - 2% Elektronen und Positronen Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Primäre Komponente

8 Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie -Chemische Zusammen- setzung in weitgehender Übereinstimmung mit Sonnensystem -Überhäufigkeit der Ele- mente Li, Be und Bo (wegen Spallation von O und C?), sowie der Elemente unterhalb von Eisen (Ti, V, Cr, Mn)

9 Sekundäre Komponente -Sekundärteilchen entstehen durch Wechselwirkung mit Atmosphäre -Am Erdboden setzt sie sich für ein eV-Proton zusammen aus: - 80% Photonen - 18% Elektronen/Positronen - 1,7% Myonen - 0,3% Hadronen Insgesamt ~10 6 Teilchen aus einem eV-Proton Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

10 Energiespektrum

11 Energien von MeV bis ~3*10 20 eV Knie bei 4*10 15 eV Knöchel bei 4*10 18 eV Potenzgesetz dN/dE ~ E -γ Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Für Energien <10 15 eV γ=2,7 Für Energien zwischen und γ=3

12 direkter Nachweis Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie -Oberhalb bzw. am oberen Rand der Atmosphäre mit Ballonen oder Satelliten, dadurch wenig Beein- flussung der Primärteilchen -Bis zu Energien von eV (JACEE: Japanese-American Collaborative Emulsion Experiment )

13 - Magnetspektrometer - Szintillationszähler - Aerogel-Cherenkovzähler - Flugzeitmessung Damit lässt sich Ladung, Energie und Richtung des Teilchens bestimmen (ISOMAX: Isotope Magnet Experiment ) Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

14 Indirekter Nachweis - Sehr geringer Teilchefluss, bei den höchsten Energien: 0,005/km 2 Jahr -Direkte Messung unmöglich - Indirekter Nachweis durch Detektion der Sekundär- teilchen Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

15 Luftschauer durch Wechselwirkung mit Atmosphäre Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie -Hochenergetische Kernstöße erzeugen Pionen und Kaonen Hadronische Komponente -Zerfallen in Myonen, Photonen und Neutrinos Pionenzerfall: π 0 2 γ π + μ + + υ μ π - μ - + υ μ Myonische Komponente

16 -Myonen zerfallen in Elektronen und Neutrinos: μ + e + + υ e + υ μ μ - e - + υ e + υ μ Neutrino Komponente (unsichtbar) - Photonen erzeugen durch Paarbildung e + e - - Paare, und diese durch Brems- strahlung wieder Photonen Elektromagnetische Komponente Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

17 -Großflächige Anlage zur Detektion der Teilchen -Teleskope zum Nachweis der Fluoreszensstrahlung Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

18 KASCADE (Karlsruher Shower Core and Array Detektor) Untersuchung speziell im Bereich des Knies

19 Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie KASCADE Grande

20 Pierre Auger Observatory -Anordnung von 1600(!) Wassertanks mit je 12m 3 Wasser und Photomulitplier - Gesamtfläche von 3000km Teleskope zur Messung der Fluoreszenz Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

21 Auger Fluoreszensteleskop

22 Kombination von Teilchen- und Fluoreszenzdetektion erlaubt Rückschlüsse auf: -Einfallsrichtung -Energie -Ladung (Elementtyp)? des primären Teilchens Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

23 Ursprung - Wegen hoher Energiespanne müssen verschiedene Quellen und Mechanismen in Betracht gezogen werden - Durch Ablenkung der Teilchen im interstalleren Magnet- feld im Allgemeinen keine Information über Herkunft - Vielleicht Richtungsinformation durch - Neutrinos - γ-Strahlung - höchstenergetische Teilchen Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

24 Mögliche Quellen in unterschiedlichen Energiebereichen: - Teilchen mit E<10 15 eV: - Sonnenwind - Supernovareste - Pulsare - Teilchen mit E>10 15 eV - Doppelsterne - Quasare / AGNs Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

25 -Zyklotronmechanismus -Beschleunigung durch Sonnenfleckenpaare -Schockwellenbeschleunigung -Fermi-Mechanismus 2. Ordnung -Pulsare -Doppelsternsysteme -AGN Beschleunigungsmechanismen

26 Zyklotronmechanismus - Kann in jedem Stern vorkommen - Plasmabewegung führt zu veränderlichem Magnetfeld Mit B=1000Gauß, t=1d, R=10 9 cm erhält man ~1GeV Beschleunigung durch Sonnenfleckenpaare - Meistens Sonnenfleckenpaare entgegengesetzter Polarität -Bewegen sich mit v=10 7 m/Tag aufeinander zu - Energien bis GeV möglich Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

27 Schockwellenbeschleunigung - Relativer Energiezuwachs pro Durchlaufen der Schock- front: - Manchmal zwei Fronten, die innere viel schneller als die äußere, hin- und herreflektieren des Teilchens: wobei v Differenz der Schocks, v Geschwindigkeit des Teilchens - Energien bis 100TeV möglich Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

28 Fermi-Mechanismus 2.Ordnung - Wechselwirkung geladener Teilchen mit Magnetwolken - Da aber normal u<

29 Pulsare - Durch Drehimpulserhaltung enorme Drehgeschwindig- keiten - Wegen Erhaltung des magnetischen Flusses ergeben sich Magnetfelder von 2,5*10 12 Gauß=2,5*10 8 Tesla - Extrem hohe Rotationsenergie E rot =10 61 eV ABER: Nicht klar, wie Pulsare ihre Rotationsenergie in Beschleunigung der Teilchen umwandeln! Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

30 Doppelsternsysteme -Akkretionsscheibe führt zu gewaltiger Plasmabewegung mit außerordentlich starken elektromagnetischen Feldern - Gravitationsenergie einfallen- der Protonen ~70MeV - Mit E=evBs kommt man auf Teilchenenergien bis eV - Noch höhere Energien, wenn Primärstern ein schwarzes Loch ist, mit noch größerer Akkretionsscheibe und Materiejets Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

31 Knie 1.Knie bei 4,5 PeV Knöchel bei 4 EeV 2.Knie bei 400 PeV92 * 4,5 PeV Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

32 Was passiert am Knie und den anderen Strukturen? -Bestimmte Beschleunigungsmechanismen kommen nicht zu höheren Energien -Energie der Teilchen ist groß genug, um Milchstraße zu verlassen -Z=92 ist Ladungszahl des schwersten stabilen Elements -Knöchel durch Elektron-Positron-Paarbildung mit Mikro- wellenhintergrund? Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

33 Poly-Gonato-Model Einzelfluss der Elemente extrapolieren und addieren führt zu: Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

34 QGSJet vs. SIBYLL Luftschauersimulationen mit verschiedenen Parametern führen zu verschiedenen Ergebnissen Die beiden Simula- tionen sagen ver- schiedene Elektron- Myon-Verhältnisse für gleiche Elemente voraus Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

35 Aus gemessenem Verhältnis erhält man mit den ver- schiedenen Model- len unterschiedliche Einzelspektren für verschiedene Ele- mente Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

36 Zusammenfassung Viele Theorien um -Ursprung -Beschleunigung -Ursachen des Knies der Kosmischen Strahlung, zum Teil durch Experimente wie KASCADE gut reproduziert, aber keine wirkliche Gewissheit Rätsel um GZK-Cutoff Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

37 Literatur -Claus Grupen: Astroteilchenphysik, Vieweg -www.astroteilchenphysik.dewww.astroteilchenphysik.de -Jörg R. Hörandel: Cosmic Rays from the Knee to the Secon Knee: to eV (Astroparticle physics ) -Jörg R. Hörandel: On the Knee in the energy spectrum of Cosmic Rays (Astroparticle physics 19, 2003 pp ) -Jörg R. Hörandel: The end of the galactic cosmic-ray energy spectrum - a phenomenological view (Astroparticle physics ) - Jörg R. Hörandel: KASCADE measurements of energy spectra for elemental groups of cosmic rays: Results and open problems (Astroparticle physics ) -Hans Blümer,Karl-Heinz Kampert: Suche nach den Quellen der Kosmischen Strahlung Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie


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