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

Gliederung Einleitung und Grundlagen Direkte Messungen Indirekte Messungen (ausgedehnte Luft-schauer) Aktuelle Ergebnisse zur hochenergetischen kosmischen Strahlung

1.Einleitung Überblick: z.b.

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

Historisches Nobelpreis 1936: 1.Einleitung Historisches Viktor Franz Hess (*1883,+1964), österr. Physiker 1911-1912 Ballonexperimente mit Ionisations- kammern bis in 5km Höhe: Anstieg der Ionisation Kein Tag-Nacht-Unterschied Entdeckung einer hochionisierenden Höhen-strahlung extraterrestrischen Ursprungs Nobelpreis 1936: für die Entdeckung der kosmischen Strahlung

Bestätigung der kosmischen Strahlung 1.Einleitung 1914 W. Kohlhörster: Ballonaufstieg bis in 9km Höhe Bestätigung der kosmischen Strahlung 1938 Pierre Auger et al.: Koinzidenzmessungen mit weit auseinander liegenden Teilchendetektoren Entdeckung von Luftschauern, hervorgerufen durch kosmische Strahlung 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

Komposition der klassischen kosmischen Strahlung 1.Einleitung Komposition der klassischen kosmischen Strahlung (geladene Komponente): Primäre kosmische Strahlung: (Elementzusammensetzung im Energiebereich von einigen MeV bis zu einigen TeV direkt experimentell bestimmt) 98% Hadronen: Teilchen Kerne Z >2 87% Protonen 12% Helium 1% Kerne mit Z 3 2% Elektronen (Antiprotonen, Positronen) Protonen Sekundäre kosmische Strahlung: Hadronische und elektromagnetische Kaskaden: ausgedehnte Schauer von überlebenden Hadronen, Pionen, Kaonen, Elektronen, Photonen, Myonen, Neutrinos

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

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

Das Energiespektrum der primären kosmischen Strahlung: 1.Einleitung Das Energiespektrum der primären kosmischen Strahlung: Über einen weiten Energiebereich folgt das Spektrum einem Potenzgesetz: Spektralindex 2.5-2.7 : Spektralindex Beachte: doppeltlogarithmische Auftragung! ist Steigung im Spektrum Spektralindex 3.0 Isotrope Nukleonen-Strahlung an der Obergrenze der Atmosphäre: a = 18500 Nukleonen/(m² s sr GeV) und Spektralindex 2.8 = 2.7

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

Flüsse und Experimentiermöglichkeiten: 1.Einleitung Flüsse und Experimentiermöglichkeiten:

Überblick über die wichtigsten Wechselwirkungsmechanismen 1.Einleitung Überblick über die wichtigsten Wechselwirkungsmechanismen von Strahlung mit Materie und die Hauptdetektortypen: Geladene Teilchen Elektron-Loch-Erzeugung Ionisation Anregung Bremsstrahlung Cherenkov-Strahlung Halbleiter-Detektoren Gas-Detektoren Szintillatoren Kalorimeter Schwellwertzäh-ler, RICH Photonen kleine Energien < 100 keV mittlere Energien 100 keV- 5 MeV hohe Energien > 5 MeV Photoeffekt Compton- Streuung Paarbildung Photomultiplier, Kr, Xe-Detektoren Halbleiter-Detektoren Kalorimeter

Ballon- und Satelliten- Experimente 2.Direkte Messungen: Ballon- und Satelliten- Experimente Experimentelle Konzepte und Ziele A) Multi-Detektor- Setups: (Messdetektorsysteme aus dem Bereich der Kern- u. Elementarteilchenphysik) Magnetspektrometer Kalorimeter Szintillationszähler Übergangsstrahlungsdetektoren Cherenkov- Zähler, RICH Flugzeitmessung Antikoinzidenzsysteme Photomultiplier etc. Physikalische Parameter: Energie Masse Ladung

Experimentelle Konzepte und Ziele 2. Direkte Messungen Experimentelle Konzepte und Ziele B) Ziele: Rückschlüsse auf: Zusammensetzung der kosmischen Strahlung Energiespektren Antimaterie und dunkle Materie Entstehung/Quellen Beschleunigungsprozesse Nukleosynthese Propagation im interstellaren Raum

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

Ballon- Experimente 2. Direkte Messungen Gespanne aus: Daten: 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)

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

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

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

Ergebnisse: Die Elementzusammensetzung 2. Direkte Messungen 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 (Galactic Cosmic Rays) 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

Neuere Forschungsergebnisse bei kleineren Energien (~100 MeV): 2. Direkte Messungen Die Elementzusammensetzung 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

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

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

Aufenthaltszeiten in Milchstrasse ~ 10-100 Millionen Jahre 2. Direkte Messungen Spallationsprozesse (während des Transports durch interstellare Materie) Isotopenhäufigkeiten: Kosmische Uhren Radioaktive Isotope Isotopenhäufigkeit eines Elements in Quelle bekannt u. Vergleich mit jener in kosmischer Strahlung Aufenthaltszeiten der Teilchen in der Milchstrasse Teilchen im GeV- Bereich durchqueren im interstellaren Raum im Mittel 5- 10 g/cm² (Durchquerung der Milchstrasse: 0.16 g/cm²) heutige Modellvorstellungen: Aufenthaltszeiten in Milchstrasse ~ 10-100 Millionen Jahre

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

3. Indirekte Messungen 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.

Luftschauer: (schematisch) 3. Indirekte Messungen Luftschauer: (schematisch) Kaskadenprozess Inelastizität Multiplizität Transversalimpuls

3. Indirekte Messungen

Kaskadenentwicklungen 3. Indirekte Messungen Kaskadenentwicklungen in der Atmosphäre: Unterschiede der Schauerentwicklung in der Atmosphäre weisen auf Energie und Masse des Primärteilchens hin Laterale Schauerbreite in km

Nachweis- und Messmethoden: 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

3. Indirekte Messungen Nachweismethoden:

(Karlsruhe Shower Core and Array Detector) 3. Indirekte Messungen KASCADE / - Grande (Karlsruhe Shower Core and Array Detector) Beispiele: ZIELE: Energie- u. Massenspektrum im Bereich des Knies (0.1 -1000 PeV) Untersuchung hadronischer Wechselwirkungen in diesem Energiebereich

Detektion höchstenergetischer kosmischer 3. Indirekte Messungen Detektion höchstenergetischer kosmischer Strahlung:

3. Indirekte Messungen

Hybridmessung 3. Indirekte Messungen Süd- Experiment: bis 2004 1600 Sampling-Cherenkov- Detektoren (11.3m² Grundfläche) auf 3000 km² zum Nachweis der Elektronen und Myonen im Schauer Hybridmessung

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

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

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

4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Das Knie Was ist die Ursache des Knies? Verschiedene Theorien: Effekt des Transports: Entschwinden aus Galaxie (wichtige Größe bei diesen Modellen: Ladungszahl Z) Änderung der Quelle: Erreichen der maximalen Beschleunigung Unbekannter Effekt in Wechselwirkungen der Schauerentwicklung (wichtige Größe bei diesen Modellen: Massenzahl A) Exotische teilchenphysikalische Prozesse

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

4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Was ist die Ursache des Knies? Effekt des Transports: Entschwinden aus Galaxie Rigidität gibt an, wie stark ein Teilchen mit La- dung Z und relativistischem Impuls von einem Magnetfeld gestört wird. Annahmen: galaktisches Magnetfeld: ab Gyroradius von 5pc beginnen Teilchen aus Milchstrasse zu entweichen Speicherbarer Impuls:

4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Was ist die Ursache des Knies? Änderung der Quelle: Erreichen der maximalen Beschleunigung 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.

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...

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

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

4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Beste Übereinstimmung mit 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?)

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

4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Der Greisen- Zatsepin- Kuzmin- Cut Off: Hochrelativistische Teilchen sehen Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) zu wesentlich höheren Energien verschoben. Lorentz-Transformation Laborsystem Ruhesystem des Protons Ab Schwellwertenergie kommt es zu Streuung und damit verbundenem Energieverlust der Teilchen aufgrund von Pionproduktion: Begrenzung der Reichweite höchstenergetischer Teilchen auf ca. 100 Mpc

4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Relativ nahe Quellen (Entfernung < 100 Mpc) verbieten sich aber auf- grund des Hillas- Diagramms 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) Korrektur der Energiespektren auf gleichen Fluss bei innerhalb der Energieunsicherheit von +/- 20% bei allen Experimenten möglich.

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

4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR „bottom- up“- Szenarien: Beschleunigung der Teilchen „top- down“- Szenarien: 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 Primäre Energiespektren, deren Hochenergieanteil wesentlich größer ist als bei Schockwellenbeschleunigung NUR VERBESSERUNG DER STATISTIK KANN AUFSCHLUSS GEBEN!

4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Energiespektrum

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

Literatur: Internet: 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: http://www.astroteilchenphysik.de http://www.phys.washington.edu/~walta/cosrayresources.html http://www-hfm.mpi-hd.mpg.de/CosmicRay/CosmicRaySites.html http://www-ik.fzk.de http://www.auger.de http://www.cosmic-ray.org

Papers: A. Haungs et al.: Energy spectrum and mass composition of high- energy cosmic rays, Rep.Prog. Phys. 66 (2003) 1145-1206 J. R. Hörandel: On the knee in the energy spectrum of cosmic rays, Astroparticle Physics 19 (2003) 193-220 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/0011524v1 28 Nov 2000 J. N. Bahcall and E. Waxman: Has the GZK supression been discovered?, arXiv:hep-ph/0206217v5 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 243-246, 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