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Kosmische Strahlung Seminarvortrag am 22.11.2004 Scheinseminar zur Astro- und Teilchenphysik Friederike Deffner Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg.

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1 Kosmische Strahlung Seminarvortrag am Scheinseminar zur Astro- und Teilchenphysik Friederike Deffner Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg

2 Kosmische Strahlung 2 Gliederungspunkte  Einführung  Zusammensetzung der kosmischen Strahlung  Energiespektrum  Ursprung  Beschleunigung  Propagation  Direkter Nachweis  Indirekter Nachweis  Zusammenfassung

3 Kosmische Strahlung 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 Strahlung Einführung  Kosmische Strahlung

4 Kosmische Strahlung 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

5 Kosmische Strahlung 5 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

6 Kosmische Strahlung 6 Zusammensetzung und Spektrum der primären kosmischen Strahlung Energiespektrum reicht bis zu Teilchenenergien von mindestens eV 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

7 Kosmische Strahlung 7 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

8 Kosmische Strahlung 8 Energiespektrum Sehr steil, keine Einzelheiten erkennbar  Andere Skalierung Energiespektrum

9 Kosmische Strahlung 9 Knie bei etwa eV Knöchel bei etwa eV Für Energien unterhalb des Knöchels wird das Spektrum gut durch ein Potenzgesetz beschrieben: Energiespektrum Für Energien <10 15 eV: γ ~ 2,7 Für höhere Energien bis eV: γ ~ 3 dN/dE ~ E -γ

10 Kosmische Strahlung 10 Im niederenergetischen Teil (E<1GeV): Beeinflussung durch Sonnenwinde  11jährige Modulation Das Knie (E~10 15 eV): -Unterschiedlicher Teilchenursprung? -Andere Beschleunigungsmechanismen? -Teilchen verlassen Milchstraße? -Exotische Teilchenprozesse? Energiespektrum E<10 15 eV / Knie

11 Kosmische Strahlung 11 Welche Teilchen sind dafür verantwortlich? Protonen: GZK-Cut-Off : γ + p  p + π 0 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>10 18 eV Generell stellen Ereignisse >10 19 eV ein Rätsel dar! Was passiert bei E~10 20 eV? - Grenzenergie? - Flüsse zu gering? Der Knöchel (E~10 18 eV): Bessere Statistik nötig! 1pc= 3,26 Lj ^

12 Kosmische Strahlung 12 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 + υ µ  e + υ e υ µ υ µ π -  μ - υ µ  e - υ e υ µ υ µ Nur 10% der Elektronen aus diesem Prozess  Großteil aus gleicher Quelle wie Nukleonenkomponente Energiespektrum __ _ _

13 Kosmische Strahlung 13 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

14 Kosmische Strahlung 14 Teilchen der klassischen kosmischen Strahlung unterhalb von etwa eV haben keine Richtungsinformation mehr  Isotropie Ursprung

15 Kosmische Strahlung 15 Ursprung für Teilchen <10 15 eV innerhalb unserer Galaxis Überlegungen mittels Energiedichte Bestätigung der Supernovaquellen durch Elementzusammensetzung Ursprung E<10 15 eV Mögliche Quellen: Pulsare Supernovae Doppelsternsysteme Teilchen mit E<10 15 eV

16 Kosmische Strahlung 16 Quellen außerhalb der Milchstraße Große Ablenkradien  können nicht in Milchstraße gespeichert werden Aber: Begrenzte Reichweite wegen des GZK-Cut-Offs! Ursprung E>10 18 eV Mögliche Quellen: AGN Quasare Teilchen mit E>10 18 eV

17 Kosmische Strahlung 17 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

18 Kosmische Strahlung 18 Fermi-Mechanismus (Fermi-Beschleunigung 2. Art) -Wechselwirkung von kosmischen Teilchen mit Magnetwolken -Energien bis zu eV Pulsare Doppelsternsysteme -Plasmabewegungen durch Akkretion -Energien bis zu eV AGN Beschleunigung Hauptteil der kosmischen Strahlung durch Schockwellenbeschleunigung und Nachbeschleunigung durch Fermi-Mechanismus Beschleunigung der höchstenergetischen Teilchen vorwiegend in Pulsaren, Doppelstern-systemen und AGN

19 Kosmische Strahlung 19 Ausbreitung der Strahlung Aus der Häufigkeit langlebiger radioaktiver Isotope kann auf eine Speicherzeit von etwa 2*10 7 Jahre geschlossen werden Teilchen legen gewaltige Wegstrecken zurück Bewegen sich auf ungeordneten Bahnen und erfüllen die gesamte Galaxis Propagation

20 Kosmische Strahlung 20 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

21 Kosmische Strahlung 21 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

22 Kosmische Strahlung 22 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 (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

23 Kosmische Strahlung 23 Indirekter Nachweis der sekundären Strahlung Bei höheren Energien (E>10 14 eV): 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

24 Kosmische Strahlung 24 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

25 Kosmische Strahlung 25 Indirekter Nachweis Teilchen können zerfallen: π 0  2 γ, π +  μ + + υ μ, π -  μ - + υ μ Analoge Zerfälle für K-Mesonen Myon-Zerfall: μ +  e + + υ e + υ μ, μ -  e - + υ e + υ μ Hochenergetischen Photonen erzeugen durch Paarbildung e + e - - Paare und diese durch Bremsstrahlung wieder Photonen  Elektromagnetischer Schauer Kompletter Schauer: Elektromagnetische, hadronische, myonische und Neutrino-Komponente _ __

26 Kosmische Strahlung 26 Indirekter Nachweis Schematische Darstellung eines Schauers Teilchenhäufigkeiten in Abhängigkeit von der Schauertiefe

27 Kosmische Strahlung 27 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

28 Kosmische Strahlung 28 KASCADE Karlsruher Shower Core and Array Detektor Messung von Energien im Bereich des Knies (E~10 15 eV) Ziel: - Bestimmung des Energiespektrums und der Elementzusammensetzung der kosmischen Strahlung - Untersuchung hadronischer Wechselwirkungen Indirekter Nachweis

29 Kosmische Strahlung 29 Indirekter Nachweis 252 Detektorstationen: Szintillationsdetektoren Im Zentrum der Anlage: Zentraldetektor  Messung des Ortes, der Einfallsrichtung und der Energie von Hadronen Hauptkomponente ist ein Hadronenkalorimeter

30 Kosmische Strahlung 30 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?

31 Kosmische Strahlung 31 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 abhängigkonstant

32 Kosmische Strahlung 32 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

33 Kosmische Strahlung 33 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

34 Kosmische Strahlung 34 Zusammenfassung Die kosmische Strahlung gibt nach wie vor viele Rätsel auf, vor allem im Bereich der höchstenergetischen Strahlung! Zusammenfassung

35 Kosmische Strahlung 35 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 ) -J. R. Hörandel: On the knee in the energy spectrum of cosmic rays (Astroparticle Physics 19, 2003, pp ) Literaturverzeichnis


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