1 / 42

K OSMISCHE S TRAHLUNG

K OSMISCHE S TRAHLUNG. S EMINARVORTRAG A M 6. F EBRUAR 2003 S ONJA F RITZ. HISTORISCHE EINLEITUNG. HISTORISCHE EINLEITUNG. 1912 - V ICTOR H ESS Ballonflüge, Messung der Höhenstrahlung mit einer Ionisationskammer Ergebnisse:.

karl
Télécharger la présentation

K OSMISCHE S TRAHLUNG

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. KOSMISCHE STRAHLUNG SEMINARVORTRAG AM 6. FEBRUAR 2003 SONJAFRITZ

  2. HISTORISCHE EINLEITUNG

  3. HISTORISCHE EINLEITUNG 1912 - VICTOR HESS • Ballonflüge, Messung der Höhenstrahlung mit einer Ionisationskammer • Ergebnisse: • bis 2000 m leichte Abnahme der Ionisation (Bodenradioaktivität) • dann jedoch starker Anstieg (Hess erreichte eine maximale Höhe von 5300 m) • Bestätigung des extraterrestrischen Ursprungs der Strahlung

  4. HISTORISCHE EINLEITUNG • - PIERRE AUGER • Koinzidenzexperimente in den Alpen (zwei Geigerzählrohre am Boden im Abstand von 300 m) • Ergebnis: Teilchen werden in den beiden Detektoren zur gleichen Zeit nachgewiesen • Entdeckung ausgedehnter Luftschauer (extended air showers, EAS) mit Energien von ca. 1015 eV

  5. HISTORISCHE EINLEITUNG 1932 – 1947 - BEDEUTENDE ENTDECKUNGEN • 1932: Anderson • Entdeckung des Positrons in einer Nebelkammer • 1937: Anderson und Neddermeyer • Entdeckung des Myons in einer • Nebelkammer • 1947: Lattes, Occhialini, Powell, Muirhead • Entdeckung der geladenen Pionen in Kernemulsionen • 1947: Rochester und Butler • Entdeckung der K-Mesonen in • einer Nebelkammer

  6. ZUSAMMENSETZUNG UND SPEKTRUM DER KOSMISCHEN STRAHLUNG

  7. ZUSAMMENSETZUNG UND SPEKTRUM DER KOSMISCHEN STRAHLUNG • WAS IST EIGENTLICH KOSMISCHE STRAHLUNG ? • Kosmische Strahlung besteht zu ... ... 98 % aus ionisierten Kernen davon sind 87 % Protonen 12 % α-Teilchen 1 % schwerere Elemente ... 2 % aus Elektronen • Kosmische Strahlung ist Teilchenstrahlung !!

  8. ZUSAMMENSETZUNG UND SPEKTRUM DER KOSMISCHEN STRAHLUNG CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG – EIN VERGLEICH MIT DEM SONNENSYSTEM • viele Gemeinsamkeiten • ABER: Abweichungen bei Li, Be, B (Z = 3 – 5) sowie bei Sc, Ti, V, Cr, Mn (Z = 21 – 25)

  9. ZUSAMMENSETZUNG UND SPEKTRUM DER KOSMISCHEN STRAHLUNG CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG – EIN VERGLEICH MIT DEM SONNENSYSTEM • Woher kommen die beobachteten Abweichungen? • Die erwähnten Elemente kommen nicht als Endprodukte bei der stellaren Nukleo- synthese vor • Spallation von Kohlenstoff (Z = 6), Stickstoff (Z = 7), Sauerstoff (Z = 8) bzw. von Eisen (Z = 26) Aus dem Verhältnis von primären (z.B. C) zu sekundären Teilchen (z.B. Li, Be, B) kann auf die Aufenthaltsdauer der CR in der Galaxis geschlossen werden (ca. 106 Jahre)

  10. ZUSAMMENSETZUNG UND SPEKTRUM DER KOSMISCHEN STRAHLUNG ENERGIESPEKTRUM DER KOSMISCHEN STRAHLUNG • sehr großerEnergiebereich von 108eV bis über 1020 eV • Fluss fällt mit steigender Energie stark ab:mit

  11. ZUSAMMENSETZUNG UND SPEKTRUM DER KOSMISCHEN STRAHLUNG ENERGIESPEKTRUM DER KOSMISCHEN STRAHLUNG Woher kommen die „Knicke“ im Spektrum? • Knie: 1. Magnetfeld der Milchstraße kann nur Teilchen festhalten, deren Lamor- radien kleiner oder vergleichbar mit der Größe der Milchstraße sind • ab 1015 eV beginnen Teilchen, die Milchstraße zu verlassen • 2. Maximale Beschleunigung bei Supernovae • Knöchel: Beitrag einer extragalaktischen Komponente

  12. NACHWEISMETHODEN

  13. NACHWEISMETHODEN WIE KANN MAN KOSMISCHE STRAHLUNG MESSEN? • bis ca. 1014 eV direkte Messung der primären Komponente möglich z.B. Ballon- oder Satellitenexperimente • ab 1014 eV Messung der sekundären Komponente, Luftschauer z.B. Messung von Cherenkovstrahlung oder Fluoreszenzlicht, Teilchen- detektoren

  14. NACHWEISMETHODEN DIREKTE MESSUNGEN • JACEE-Experiment • Ballonexperiment • Energiebereich 1012 – 1014 eV • Spurkammern und Kalorimeter • „Chicagoer Ei“ • Einsatz auf Space-Shuttle-Flug • Energiebereich 1010 – 1012 eV • Cherenkov-Detektoren, Szintillatoren und Übergangszähler

  15. NACHWEISMETHODEN INDIREKTE MESSUNGEN - LUFTSCHAUER • Luftschauer besteht aus 3 Komponenten: • hadronische Komponente primäreres Proton streut an atmosphärischen Kernen, dabei entstehen Protonen, Neutronen, Pionen, Kaonen, ... • myonische Komponente aus dem Zerfall geladener Pionen und Kaonen entstehen Myonen • elektromagnetische Komponente aus dem Zerfall der neutralen Pionen ent- stehen γ`s, die über Paarbildung und Brems- strahlung eine elektromagn. Kaskade initiieren

  16. NACHWEISMETHODEN INDIREKTE MESSUNGEN - LUFTSCHAUER • Welche Parameter kann man aus Luftschauermessungen bestimmen? • Aussehen des Schauers • primäres Teilchen (Photon oder Hadron) • Eindringtiefe • schweres oder leichtes Teilchen • am Boden nachgewiesene Teilchen • z.B. Massenabschätzung aus Verhältnis von Myonenzahl zu Elektonenzahl

  17. BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN UND QUELLEN DERKOSMISCHEN STRAHLUNG

  18. BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN UND QUELLEN DER KOSMISCHEN STRAHLUNG typische Werte: B = 2000 G, R = 109 cm, BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN • Zyklotronmechanismen – Beschleunigung in Sonnenflecken • Feldstärke in Sonnenflecken bis zu einigen 1000 Gauß • Magnetfelder entstehen durch turbulente Plasmabewegungen (= Ströme) • beim Auf- oder Abbau dieser Magnetfelder entstehen elektr. Felder, durch die Protonen und Elektronen beschleunigt werden können • Energien bis 1011 eV

  19. BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN UND QUELLEN DER KOSMISCHEN STRAHLUNG • relativer Energiezuwachs: • relativistische Behandlung der Schockwellenbeschleunigung und Berücksichtung variabler Streuwinkel ergibt (mit v = c): BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN • Beschleunigung in Schockfronten (Fermi-Mechanismus 1. Ordnung) • abgestoßene Supernova-Hülle stellt Schockfront gegen interstellares Medium dar • Betrachte Schockfront, die sich mit u1 bewegt und Teilchen das mit Geschwindigkeit v dagegen anläuft • Energien bis 1014 eV

  20. BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN UND QUELLEN DER KOSMISCHEN STRAHLUNG • Relativer Energiezuwachs: • für statistisch verteilte Stoßwinkel: BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN • Beschleunigung in Magnetwolken (Fermi-Mechanismus 2. Ordnung) • Wechselwirkung von kosmischen Teilchen mit Magnetwolken • Energiegewinn, wenn u und v antiparallel sind Energieverlust, wenn u und v parallel sind • im Mittel jedoch Energiegewinn

  21. BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN UND QUELLEN DER KOSMISCHEN STRAHLUNG BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN • Beschleunigung in Pulsaren • Beschleunigung der Primärteilchen durch jungen, schnellen Pulsar in „outer gaps“ (plasmafreie Zonen zwischen offenen und geschlossen Feldlinien) • Aus den typischen Werten für Pulsare (Magnetfelstärke bis 2.5·108 T, Rotation im ms-Bereich) ergeben sich elektrische Felder bis 1015 V/m • Umwandlung von Rotationsenergie in Beschleunigungsenergie • Energien bis einige 1019 eV

  22. BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN UND QUELLEN DER KOSMISCHEN STRAHLUNG BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN • Beschleunigung in Doppelsternsystemen • Doppelsternsystem aus Pulsar/Neutronenstern und Hauptreihenstern • In Akkretionsscheibe aus ionisierter Materie werden vorhandene Magnetfelder verstärkt und auf Keplerbahnen mitbewegt • starkes elektrisches Feld zwischen den Rändern der Scheibe • geladene Teilchen werden senkrecht zur Scheibe beschleunigt • Energien bis 3·1019 eV

  23. BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN UND QUELLEN DER KOSMISCHEN STRAHLUNG • Karte der Galaxie im Licht der kosmischen Strahlung: QUELLEN DER KOSMISCHEN STRAHLUNG • Problem: Teilchen sind geladen • Ablenkung im interstellaren Magnetfeld • Teilchen zeigen (im Gegensatz zu Photonen) nicht auf die Quellen zurück Verteilung der kosmischen Strahlung am Himmel: isotrop

  24. BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN UND QUELLEN DER KOSMISCHEN STRAHLUNG QUELLEN DER KOSMISCHEN STRAHLUNG • Die Quellen der kosmischen Strahlung können also nicht direkt bestimmt werden! • Ermittlung möglicher Quellen aus Abschätzung der Leuchtkraft • Es gilt für die Leuchtkraft der kosmischen Strahlung: • Energiedichte der kosmischen Strahlung: ρ = 1eV/cm3 • Aufenthaltsdauer in der Milchstraße: τ = 6·106 Jahre • Ausmaße der Milchstraße: d = 300 pc, R = 15 kpc

  25. BESCHLEUNIGUNGSMECHANISMEN UND QUELLEN DER KOSMISCHEN STRAHLUNG QUELLEN DER KOSMISCHEN STRAHLUNG • Damit ergeben sich folgende mögliche Quellen kosmischer Strahlung: • Sonne • ABER: nur bis 109 eV • Supernovae ABER: nur bis 1014 eV • Pulsare • ABER: nur bis 1019 eV • Doppelsternsysteme ABER: nur bis 1019 eV

  26. DAS RÄTSEL DER HÖCHSTEN ENERGIEN

  27. DAS RÄTSEL DER HÖCHSTEN ENERGIEN MÖGLICHE QUELLEN FÜR DIE HÖCHSTENERGETISCHSTEN TEILCHEN • nur sehr wenige Objekte sind über- haupt in der Lage, Teilchen auf die geforderten Energien zu beschleunigen • sehr kompakte Objekte • Synchrotronverluste • sehr ausgedehnte Objekte • Streuverluste • nur Jets aus Radiogalaxien erfüllen alle notwendigen Bedingungen • Entfernung dieser Objekte ~ 100 Mpc • NEUES PROBLEM ...

  28. DAS RÄTSEL DER HÖCHSTEN ENERGIEN . . . DER GREISEN-ZATSEPIN-KUZMIN-CUTOFF Es wird erwartet, dass das Spektrum der primären kosmischen Strahlung oberhalb von 6·1019 eV abbricht: Protonen oberhalb dieser Energie erzeugen an den Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung Pionen gemäß • für energiereichere Protonen (E > 6·1019 eV ) ist das Universum nicht mehr transparent! • freie Weglänge höchstenergetischer Protonen: ca. 10 Mpc

  29. DAS RÄTSEL DER HÖCHSTEN ENERGIEN THEORIE UND (EXPERIMENTELLE) WIRKLICHKEIT Höchste bisher gemessenen Energien: 2.1·1020 eV (AGASA, 1993) 3.2·1020 eV (Fly´s Eye, 1991)

  30. DAS RÄTSEL DER HÖCHSTEN ENERGIEN • (ZIEMLICH EXOTISCHE) LÖSUNGSVORSCHLÄGE • „Top-Down“ Modell (Alternative zu „Bottom-Up“-Beschleunigungsmodellen) • Zerfall von... ... super-schweren quasistabilen Teilchen aus der Anfangsphase des Universums ... topologischen Defekten ... magnetischen Monopolen • Die höchstenergetischen Teilchen sind supersymmetrische Teilchen, die eine höhere Schwellwertenergie für die Pionenproduktion haben • Annihilation extrem hochenergetischer Neutrinos (E > 1021 eV) über die Z0 – Resonanz mit „relic massive neutrinos“ in der „näheren Umgebung“ • Produktion von Hadronen mit E > EGZK

  31. AKTUELLE EXPERIMENTE

  32. AKTUELLE EXPERIMENTE KASCADE (KARLSRUHER SHOWER CORE AND ARRAY DETECTOR) • Messung und Untersuchung ausgedehnter Luftschauer (alle 3 Komponenten) • Messung des Energiespektrums • Bestimmung der chemischen Zusammensetzung • Energiebereich: 1014 – 1017 eV • genaue Untersuchung des „knee“ des Spektrums

  33. AKTUELLE EXPERIMENTE KASCADE – SCHEMATISCHER AUFBAU • Zentraldetektor • Messung der hadronischen Komponente und hoch- energetischer Myonen im Schauerkern 200 x 200 m Detektorarray • Nachweis der ausgedehnten elektromagnetischen und myonischen Komponenten Streamertunnel • Tunnel mit Detektorsystemen zur Rekonstruktion von Myonspuren

  34. AKTUELLE EXPERIMENTE KASCADE - DETEKTORSTATION • Matrix von 16 x 16 Detektorstationen im Abstand von je 13 m • insgesamt 252 Stationen

  35. AKTUELLE EXPERIMENTE PIERRE AUGER PROJECT • (Erstmalige) Kombination von Teilchendetektoren und Fluoreszenzlichtdetektoren • gesamte Entwicklung eines Schauers nachvollziehbar • Bestimmung von Einfallsrichtung, Energie und Typ des kosmischen Teilchens Energiebereich: oberhalb von 1018 eV • Untersuchung der höchstenergetischen Teilchen

  36. AKTUELLE EXPERIMENTE PIERRE AUGER PROJECT – MENDOZA (ARGENTINIEN) 1600 Wasser-Cherenkov-Detektoren, verteilt über Fläche von ca. 3000 km2(Fertigstellung bis 2004)

  37. AKTUELLE EXPERIMENTE PIERRE AUGER PROJECT – MENDOZA (ARGENTINIEN) Einer von 4 Fluoreszenzlicht-Detektoren (insgesamt 30 Teleskope)

  38. AUSBLICK

  39. AUSBLICK OFFENE FRAGEN • Gibt es eine kosmische Maximalenergie, also den GZK-cutoff? • Welche Beschleunigungsmechanismen sorgen für die höchsten Energien? • Wie ist die Winkelverteilung, gibt es Punktquellen für die kosmische Strahlung? • Wie ist die genaue Elementzusammensetzung, sind exotische Teilchen beteiligt? • . . . TO BE CONTINUED . . .

  40. AUSBLICK ZUKÜNFTIGE EXPERIMENTE • OWL (Orbiting Wide-angle Light-collectors) • Nutzung der (gesamten) Erdatmosphäre als Detektor • Beobachtung des Fluoreszenzlichts mit Hilfe von zwei Satelliten „in study phase“ • EUSO (Extreme Universe Space Observatory) • ebenfalls Nutzung der Erdatmosphäre als Detektor • Beobachtungsinstrument auf der internationalen Raumstation ISS „Phase A study“ – Ziel: Beginn 2009

  41. AKTUELLE EXPERIMENTE PIERRE AUGER PROJECT – SIMULATION EINES SCHAUERS

More Related