Kosmische Strahlung auf der Erde

Präsentation zum Thema: "Kosmische Strahlung auf der Erde"—  Präsentation transkript:

1 Kosmische Strahlung auf der Erde
Spektrum Zusammensetzung Messmethoden (direkt und indirekt) Magnetfelder

2 Beobachtungen in der Astroteilchenphysik
Diffuser Hintergrund und Vordergrund (Rauschen) Instrumentenrauschen Atmosphäre Planetensystem (Sonne) Vordergrundobjekte (Sterne) Galaktische Hintergrundstrahlung (Milchstrasse) Extragalaktische Hintergrundstrahlung Punktquellen Viele* Ereignisse von einer Position am Himmel Ausgedehnte Quellen Viele* Ereignisse einer „physikalisch“ zusammenhängenden Region am Himmel *Viele = ein statistisch relevanter Überschuss im Vergleich zum Hintergrund

3 Physikalische Beobachtungsgrößen
Ereignis (event) Teilchensorte (Detektorabhängig) Position am Himmel Energie Differentieller Fluss: Gesamtfluss: Bild (Gesamtfluss pro Ort) Ausgedehnte Quelle Punktquelle Lichtkurve (Gesamtfluss pro Zeitintervall) Variabilität (Zeitskala?) Diff. Spektrum (Fluss pro Energie …) Potenzgesetz (nicht-thermische Quelle) Schwarzkörperspektrum (thermische Quelle)

4 Photonen (>100MeV) Bild, Lichtkurven, Spektren
Beobachteter Gesamtfluss Ausgedehnte Quellen und Punktquellen

5 Bild, Lichtkurven, Spektren
Für die Hintergrundstrahlung ist keine Variabilität bekannt. Blazar PKS

6 Bild, Lichtkurven, Spektren
Diffuse Hintergrundstrahlung Diskrete Quellen

7 (2) Neutrinos (>100 TeV) Bild, Lichtkurven, Spektren
Diskrete Quellen Sonne Supernova 1987A AMANDA II: All sky map (nur Atmosphärische Ereignisse)

8 Bild, Lichtkurve, Spektren
Neutrinohintergrund Lichtkurve SN1987A

9 (3) Geladene Kosmische Strahlung Bild, Lichtkurven, Spektren
Keine diskrete Quellen bekannt AUGER: (high energy) All-sky map

10 Bild, Lichtkurven, Spektren
Keine diskrete Quellen bekannt

11 Bild, Lichtkurven, Spektrum
Variabilität für E<1 GeV 11 Jahre : Sonnenfleckenzyklus 27 Tage : Sonnenrotation …

12 Teilchen der geladenen Komponente
Protonen (85%) Heliume (12%) Schwere Kerne (1%) Elektronen Wenig Antiteilchen (Positronen, Antiprotonen) wahrscheinlich nicht primär beschleunigt

13 Elemente-Häufigkeit Vergleich mit solarer Verteilung
Solare Verteilung entspricht auch in anderen Sternen der Population II Schlussfolgerung: Teilchen stammen aus Supernovaexplosionen

14 Direkte Messmethoden Stratosphärische Ballons
CREAM (cosmic-ray energetics and mass) 40 km Höhe, Antarktis PEBS (Positron Elektron Ballon Spektrometer) Entwicklungsphase PEBS

15 Satelliten AMS Antimaterie, Dunkle Materie Pamela, Dunkle Materie

16 Detektoren für ionisierende Strahlung
Elektrometer Fadenelektrometer Blasenkammer Emulsionsdetektoren Halbleiterdetektoren Szintilationsdetekoren Cherenkovlichtdetektor

17 Detektortypen: Photoemulsion
Röntgen: X-rays, Becquerel: Radioaktive Strahlung Sensitiv bezüglich Elektronen aus Ionisierungsverlusten von geladenen Teilchen Hohe Konzentration Silberbromid (AgBr) in Gelantine Geladene Teilchen erzeugen Elektronen entlang ihrer Flugbahn durch das Gel Es entsteht Silber entlang des Weges Der Rest wird durchsichtig

18 Detektortypen: Halbleiter
Geladene Teilchen erzeugen Elektron-Loch Paare Sensitiver als Gasdetektoren: Silikon (3.5 eV) Germanium (2.94 eV) Gas ~30 eV für Ionisierung

19 Detektortypen: Szintilationsdetektor
KS erzeugte Elektron Elektron erzeugt Photonen in einem Kristall Photonen erzeugen Photoelektronen in Photokathode Photomultiplier vervielfältigt Elektron Nachteil: Szintilationsmaterial konvertiert nur 3% der Elektronenergie Kathodeneffizienz ist ca % (von 5-10 Photonen an der Photokathode wird nur Elektron frei)

20 Messung durch Ionisation
Photonen (Lambert-Beer-Bouguer-Gesetz) m ist Absorptionkoeffizient n Anzahldichte s Querschnitt der absorbierenden Teilchen Niederenergetische Teilchen ~eV Hochenergetische Teilchen nach Bethe-Bloch Formel

21 Bethe-Bloch-Formel D = 0.307 MeV cm2/g
z, b: Ladungszahl und Geschwindigkeit des Teilchens Z, A, r : Kernladungszahl, Massenzahl und Dichte des Mediums I ~ 16 Z0.9 eV: effektives Ionisationspotential der Atome des Mediums DEmax : maximaler Energieübertrag auf ein Hüllenelektron, der sich beim zentralen Stoß ergibt d, C sind Dichtekorrekturen bei großen Energien und Schalenkorrekturen bei kleinen Energien

22 Mittlerer Energieverlust

23 Energieverluste Elektronen

24 Beispiel: OGO-1 (1964)

25 Detektor

26 Isotope

27 Geladene Komponente (>100 TeV)

28 Das Knie Beschleunigungsmechanismen in den Quellen der kosmischen Strahlung Beitrag unterschiedlicher Elemente

29 Geladene Komponente (>1019 eV)

30 GZK-Cut-off Wechselwirkung von hochenergetischen Protonen mit Photonen
Optische Tiefe: dt = n(e) s(e,E,..) dl Kenneth Greisen, Georgi Zatsepin und Vadem Kuzmin (“GZK cut-off”) P P Photon P+ P0 m n n n Photon e-

31 GZK-Cut-off

32 GZK-Cut-off Hochenergetische Ereignisse stammen von Quellen < 50Mpc
Galaktische Quellen ? „Top-Down“ Szenarios Auger bestätigt Ereignisse >50 EeV Korrelation mit Supergalaktischen Ebene

33 Anisotropie bei den höchsten Energien
Galaktisches Magnetfeld hat fast keinen Einfluss mehr Gyroradius G=103 (1TeV): rg=3x1012m = 20AU Korrelationsstudie möglich Tabelle AUGER Ereignisse 27 (total),20 (AGB corr) ,5.0 (erwarte bei Isotropie)

34 Indirekte Beobachtung

35 Vortragsthemen Neutrinosuche mit Radiobeobachtungen
Im Eis (Rice) Im Mond (Lunaska, Glue, etc) Lofar Auf der Suche nach Dunkler Materie AMS Pamela Photon-Oszillation Paraphotonen Axionen Kosmische Strahlung bei den höchsten Energien AUGER und AGN