Kosmische Höhenstrahlung besonders im Bereich des Knies 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 2006/2007 18.12.2006

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

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

Entdeckung und Geschichte Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Entdeckung und Geschichte - 1910 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)

- 1914 Kohlhörster: Bestätigung der Ergebnisse von Hess Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie - 1914 Kohlhörster: Bestätigung der Ergebnisse von Hess 1927 Clay: Strahlungsintensität hängt von geomagnetischer Breite ab 1927 Skobelzyn: Sekundärteilchen in Nebelkammer photographiert 1929 Bothe/Kohlhörster: Koinzidenz- messungen → geladene Teilchen

Zusammensetzung Klassische kosmische Strahlung (p, Kerne, e) Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie 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

Primäre Komponente Energie reicht bis über 1020 eV Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Primäre Komponente Energie reicht bis über 1020 eV Bis ~1014 eV lässt sich Zusammensetzung bestimmen zu: - 98% Atomkerne - 87% Protonen - 12% α-Teilchen - 1% Kerne mit Z ≥ 3 - 2% Elektronen und Positronen

setzung in weitgehender Übereinstimmung mit Sonnensystem 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)

Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Sekundäre Komponente Sekundärteilchen entstehen durch Wechselwirkung mit Atmosphäre Am Erdboden setzt sie sich für ein 1015eV-Proton zusammen aus: - 80% Photonen - 18% Elektronen/Positronen - 1,7% Myonen - 0,3% Hadronen Insgesamt ~106 Teilchen aus einem 1015eV-Proton

Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Energiespektrum

Energien von MeV bis ~3*1020eV Knie bei 4*1015eV Knöchel bei 4*1018eV Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Energien von MeV bis ~3*1020eV Knie bei 4*1015eV Knöchel bei 4*1018eV →Potenzgesetz dN/dE ~ E-γ Für Energien <1015eV γ=2,7 Für Energien zwischen 1015 und 1018 γ=3

Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie direkter Nachweis Oberhalb bzw. am oberen Rand der Atmosphäre mit Ballonen oder Satelliten, dadurch wenig Beein- flussung der Primärteilchen Bis zu Energien von 1014eV (JACEE: Japanese-American Collaborative Emulsion Experiment )

- Szintillationszähler - Aerogel-Cherenkovzähler - Flugzeitmessung Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie - 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 Indirekter Nachweis - Sehr geringer Teilchefluss, bei den höchsten Energien: 0,005/km2Jahr Direkte Messung unmöglich - Indirekter Nachweis durch Detektion der Sekundär- teilchen

Luftschauer durch Wechselwirkung mit Atmosphäre Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Luftschauer durch Wechselwirkung mit Atmosphäre Hochenergetische Kernstöße erzeugen Pionen und Kaonen → Hadronische Komponente Zerfallen in Myonen, Photonen und Neutrinos Pionenzerfall: π0  2 γ π+  μ+ + υμ π-  μ- + υμ → Myonische Komponente

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

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

KASCADE (Karlsruher Shower Core and Array Detektor) Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie KASCADE (Karlsruher Shower Core and Array Detektor) Untersuchung speziell im Bereich des Knies

Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie KASCADE Grande

Pierre Auger Observatory Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Pierre Auger Observatory Anordnung von 1600(!) Wassertanks mit je 12m3 Wasser und Photomulitplier - Gesamtfläche von 3000km2 - 24 Teleskope zur Messung der Fluoreszenz

Auger Fluoreszensteleskop Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Auger Fluoreszensteleskop

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

Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie - 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

Mögliche Quellen in unterschiedlichen Energiebereichen: Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Mögliche Quellen in unterschiedlichen Energiebereichen: - Teilchen mit E<1015eV: - Sonnenwind - Supernovareste - Pulsare - Teilchen mit E>1015eV - Doppelsterne - Quasare / AGN‘s

Beschleunigungsmechanismen Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Beschleunigungsmechanismen Zyklotronmechanismus Beschleunigung durch Sonnenfleckenpaare Schockwellenbeschleunigung Fermi-Mechanismus 2. Ordnung Pulsare Doppelsternsysteme AGN

Zyklotronmechanismus Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Zyklotronmechanismus - Kann in jedem Stern vorkommen - Plasmabewegung führt zu veränderlichem Magnetfeld Mit B=1000Gauß, t=1d, R=109cm erhält man ~1GeV Beschleunigung durch Sonnenfleckenpaare - Meistens Sonnenfleckenpaare entgegengesetzter Polarität Bewegen sich mit v=107m/Tag aufeinander zu - Energien bis GeV möglich

Schockwellenbeschleunigung Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie 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

Fermi-Mechanismus 2.Ordnung Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Fermi-Mechanismus 2.Ordnung - Wechselwirkung geladener Teilchen mit Magnetwolken - Da aber normal u<<v, Energiegewinn sehr gering - Nimmt lange Zeit in Anspruch - Erfordert Minimalinjektionsenergie wegen Wechselwir- kungsverlusten mit interstellarem Gas

Pulsare - Durch Drehimpulserhaltung enorme Drehgeschwindig- keiten Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Pulsare - Durch Drehimpulserhaltung enorme Drehgeschwindig- keiten - Wegen Erhaltung des magnetischen Flusses ergeben sich Magnetfelder von 2,5*1012Gauß=2,5*108Tesla - Extrem hohe Rotationsenergie Erot=1061eV ABER: Nicht klar, wie Pulsare ihre Rotationsenergie in Beschleunigung der Teilchen umwandeln!

Doppelsternsysteme Akkretionsscheibe führt zu Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Doppelsternsysteme Akkretionsscheibe führt zu gewaltiger Plasmabewegung mit außerordentlich starken elektromagnetischen Feldern - Gravitationsenergie einfallen- der Protonen ~70MeV - Mit E=evB∆s kommt man auf Teilchenenergien bis 1019eV - Noch höhere Energien, wenn Primärstern ein schwarzes Loch ist, mit noch größerer Akkretionsscheibe und Materiejets

Knie 1.Knie bei 4,5 PeV Knöchel bei 4 EeV Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Knie 1.Knie bei 4,5 PeV Knöchel bei 4 EeV 2.Knie bei 400 PeV≈92 * 4,5 PeV

Was passiert am Knie und den anderen Strukturen? Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie 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?

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

Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie 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

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

Zusammenfassung Viele Theorien um Ursprung Beschleunigung Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie 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

Literatur Claus Grupen: Astroteilchenphysik, Vieweg Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Literatur Claus Grupen: Astroteilchenphysik, Vieweg www.astroteilchenphysik.de Jörg R. Hörandel: Cosmic Rays from the Knee to the Secon Knee: 1014 to 1018 eV (Astroparticle physics 0611387) Jörg R. Hörandel: On the Knee in the energy spectrum of Cosmic Rays (Astroparticle physics 19, 2003 pp. 193-220) Jörg R. Hörandel: The end of the galactic cosmic-ray energy spectrum - a phenomenological view (Astroparticle physics 0508015) - Jörg R. Hörandel: KASCADE measurements of energy spectra for elemental groups of cosmic rays: Results and open problems (Astroparticle physics 0505413) Hans Blümer,Karl-Heinz Kampert: Suche nach den Quellen der Kosmischen Strahlung