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

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

Die Geschichte der Kosmischen Strahlung Einführung Die Geschichte der Kosmischen Strahlung 1912 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  Kosmische Strahlung

Hinweis auf Teilchencharakter Einführung 1927 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

Einteilung Röntgen- und Gamma-Strahlung Hochenergetische Neutrinos Einführung 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)

Zusammensetzung und Spektrum der primären kosmischen Strahlung Energiespektrum reicht bis zu Teilchenenergien von mindestens 1020eV 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

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

Energiespektrum Sehr steil, keine Einzelheiten erkennbar  Andere Skalierung

dN/dE ~ E-γ Knie bei etwa 1015eV Knöchel bei etwa 1018eV Energiespektrum Knie bei etwa 1015eV Knöchel bei etwa 1018eV Für Energien unterhalb des Knöchels wird das Spektrum gut durch ein Potenzgesetz beschrieben: Für Energien <1015eV: γ ~ 2,7 Für höhere Energien bis 1018eV: γ ~ 3 dN/dE ~ E-γ

Energiespektrum E<1015eV / Knie Im niederenergetischen Teil (E<1GeV): Beeinflussung durch Sonnenwinde  11jährige Modulation Das Knie (E~1015eV): Unterschiedlicher Teilchenursprung? Andere Beschleunigungsmechanismen? Teilchen verlassen Milchstraße? Exotische Teilchenprozesse?

Generell stellen Ereignisse >1019eV ein Rätsel dar! Energiespektrum Knöchel / E>1018eV Der Knöchel (E~1018eV): Was passiert bei E~1020eV? - Grenzenergie? - Flüsse zu gering? Welche Teilchen sind dafür verantwortlich? Protonen: GZK-Cut-Off : γ + p  p + π0 und γ + p  n + π+ Reichweite: einige10Mpc Kerne: GZK-Cut-Off bei höheren Energien Photonen: Paarbildung: γ + γ  e+ e- Reichweite: 10kpc 1pc= 3,26 Lj ^ Generell stellen Ereignisse >1019eV ein Rätsel dar! Bessere Statistik nötig!

Elektronen π-  μ- υµ  e- υe υµ υµ _ _ _ _ Energiespektrum 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+ υµ  e+ υe υµ υµ π-  μ- υµ  e- υe υµ υµ Nur 10% der Elektronen aus diesem Prozess  Großteil aus gleicher Quelle wie Nukleonenkomponente _ _ _ _

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 Teilchen der klassischen kosmischen Strahlung unterhalb von etwa 1018eV haben keine Richtungsinformation mehr  Isotropie

E<1015eV Teilchen mit E<1015eV Ursprung Ursprung für Teilchen <1015eV innerhalb unserer Galaxis Überlegungen mittels Energiedichte Bestätigung der Supernovaquellen durch Elementzusammensetzung Teilchen mit E<1015eV Mögliche Quellen: Doppelsternsysteme Pulsare Supernovae

E>1018eV Teilchen mit E>1018eV Quellen außerhalb der Milchstraße Ursprung Teilchen mit E>1018eV Quellen außerhalb der Milchstraße Große Ablenkradien  können nicht in Milchstraße gespeichert werden Aber: Begrenzte Reichweite wegen des GZK-Cut-Offs! Mögliche Quellen: AGN Quasare

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

Wechselwirkung von kosmischen Teilchen mit Magnetwolken Beschleunigung Fermi-Mechanismus (Fermi-Beschleunigung 2. Art) Wechselwirkung von kosmischen Teilchen mit Magnetwolken Energien bis zu 1015eV Pulsare Doppelsternsysteme Plasmabewegungen durch Akkretion Energien bis zu 1019eV AGN Hauptteil der kosmischen Strahlung durch Schockwellenbeschleunigung und Nachbeschleunigung durch Fermi-Mechanismus Beschleunigung der höchstenergetischen Teilchen vorwiegend in Pulsaren, Doppelstern-systemen und AGN

Ausbreitung der Strahlung Propagation Ausbreitung der Strahlung Aus der Häufigkeit langlebiger radioaktiver Isotope kann auf eine Speicherzeit von etwa 2*107 Jahre geschlossen werden Teilchen legen gewaltige Wegstrecken zurück Bewegen sich auf ungeordneten Bahnen und erfüllen die gesamte Galaxis

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

JACEE E=1-100TeV Z<=26 JACEE-14 im Dezember Direkter Nachweis 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

Detektor: Spurkammer  Ladung Wechselwirkungsbereich Direkter Nachweis Detektor: Spurkammer  Ladung Wechselwirkungsbereich Kalorimeter  Energie X-Ray Film 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

Indirekter Nachweis der sekundären Strahlung Bei höheren Energien (E>1014eV): Teilchenfluss sehr klein  indirekter Nachweis der kosmischen Strahlung durch Messung der sekundären Komponente Sekundärteilchen entstehen durch Wechselwirkung der primären Strahlung mit unserer Atmosphäre

Die sekundäre kosmische Strahlung 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

π0  2 γ , π+  μ+ + υμ , π-  μ- + υμ _ _ _ Indirekter Nachweis Teilchen können zerfallen:  π0  2 γ , π+  μ+ + υμ , π-  μ- + υμ Analoge Zerfälle für K-Mesonen Myon-Zerfall: μ+  e+ + υe + υμ , μ-  e- + υe + υμ Hochenergetischen Photonen erzeugen durch Paarbildung e+e- -Paare und diese durch Bremsstrahlung wieder Photonen  Elektromagnetischer Schauer Kompletter Schauer: Elektromagnetische, hadronische, myonische und Neutrino-Komponente _ _ _

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

Nachweis der sekundären Komponente Indirekter Nachweis 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

KASCADE Karlsruher Shower Core and Array Detektor Indirekter Nachweis KASCADE Karlsruher Shower Core and Array Detektor Messung von Energien im Bereich des Knies (E~1015eV) Ziel: - Bestimmung des Energiespektrums und der Elementzusammensetzung der kosmischen Strahlung - Untersuchung hadronischer Wechselwirkungen

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

Ergebnisse: Wodurch entsteht das Knie? Indirekter Nachweis Ergebnisse: Wodurch entsteht das Knie? 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

Modell der Z-Abhängigkeit stimmt am besten mit dem Experiment überein! Indirekter Nachweis 1) Aus direkten Messungen erhaltene Energiespektren werden unter Berücksichtigung des angenommenen Modells extrapoliert Z abhängig A abhängig konstant 2) Vergleich mit den Ergebnissen indirekter Messungen Modell der Z-Abhängigkeit stimmt am besten mit dem Experiment überein!

Indirekter Nachweis P. Auger Observatory Weltgrößtes Experiment zum Nachweis der (höchstenergetischen) kosmischen Strahlung! Besteht aus zwei Teilen: 1) Auf einer Fläche von 3000 km² bilden 1600 Teilchen-detektoren eine regelmäßige Anordnung  Registrierung von Cherenkovstrahlung mit Photomultipliern

2) 30 Teleskope messen Fluoreszenzstrahlung: 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

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

Literatur Literaturverzeichnis 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.376-379) J. R. Hörandel: On the knee in the energy spectrum of cosmic rays (Astroparticle Physics 19, 2003, pp. 193-220)