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

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

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)

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

Bild, Lichtkurven, Spektren Für die Hintergrundstrahlung ist keine Variabilität bekannt. Blazar PKS1622-297

Bild, Lichtkurven, Spektren Diffuse Hintergrundstrahlung Diskrete Quellen

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

Bild, Lichtkurve, Spektren Neutrinohintergrund Lichtkurve SN1987A

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

Bild, Lichtkurven, Spektren Keine diskrete Quellen bekannt

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

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

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

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

Satelliten AMS Antimaterie, Dunkle Materie Pamela, Dunkle Materie

Detektoren für ionisierende Strahlung Elektrometer Fadenelektrometer Blasenkammer Emulsionsdetektoren Halbleiterdetektoren Szintilationsdetekoren Cherenkovlichtdetektor

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

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

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. 10-20% (von 5-10 Photonen an der Photokathode wird nur Elektron frei)

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

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

Mittlerer Energieverlust

Energieverluste Elektronen

Beispiel: OGO-1 (1964)

Detektor

Isotope

Geladene Komponente (>100 TeV)

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

Geladene Komponente (>1019 eV)

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-

GZK-Cut-off

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

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)

Indirekte Beobachtung

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