Document
Werbung
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 Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie - Überblick - Zusammensetzung und Energiespektrum - Nachweis - Ursprung und Beschleunigung - Knie Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Entdeckung und Geschichte - 1910 Wulf: Eiffelturmexperiment: → Abnahme der Ionisation → ionisierende Strahlung aus Erde - 1911/12 Viktor Hess: Ballonexperimente: → Anstieg der Ionisation ab ~1000m → Neue Strahlung aus Kosmos (1936 Nobelpreis) Knie 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: Koinzidenzmessungen → geladene Teilchen 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 Röntgenstrahlung 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 Überblick Zusammensetzung Nachweis - Chemische Zusammensetzung in weitgehender Übereinstimmung mit Sonnensystem - Überhäufigkeit der Elemente Li, Be und Bo (wegen Spallation von O und C?), sowie der Elemente unterhalb von Eisen (Ti, V, Cr, Mn) Ursprung Beschleunigung Knie 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 Energiespektrum Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie 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 direkter Nachweis - Oberhalb bzw. am oberen Rand der Atmosphäre mit Ballonen oder Satelliten, dadurch wenig Beeinflussung der Primärteilchen - Bis zu Energien von 1014eV (JACEE: Japanese-American Collaborative Emulsion Experiment ) Ursprung Beschleunigung Knie 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 Indirekter Nachweis - Sehr geringer Teilchefluss, bei den höchsten Energien: 0,005/km2Jahr - Direkte Messung unmöglich - Indirekter Nachweis durch Detektion der Sekundärteilchen Beschleunigung Knie 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 Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung - 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 Knie Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie - Großflächige Anlage zur Detektion der Teilchen - Teleskope zum Nachweis der Fluoreszensstrahlung Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie KASCADE (Karlsruher Shower Core and Array Detektor) Untersuchung speziell im Bereich des Knies Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung KASCADE Grande Knie 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 Überblick Zusammensetzung Nachweis Auger Fluoreszensteleskop Ursprung Beschleunigung Knie Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Kombination von Teilchenund Fluoreszenzdetektion erlaubt Rückschlüsse auf: - Einfallsrichtung - Energie - Ladung (Elementtyp)? des primären Teilchens Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Ursprung - Wegen hoher Energiespanne müssen verschiedene Quellen und Mechanismen in Betracht gezogen werden - Durch Ablenkung der Teilchen im interstalleren Magnetfeld im Allgemeinen keine Information über Herkunft - Vielleicht Richtungsinformation durch - Neutrinos - γ-Strahlung - höchstenergetische Teilchen 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 Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Beschleunigungsmechanismen - Zyklotronmechanismus Beschleunigung durch Sonnenfleckenpaare Schockwellenbeschleunigung Fermi-Mechanismus 2. Ordnung Pulsare Doppelsternsysteme AGN Knie Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Zyklotronmechanismus - Kann in jedem Stern vorkommen - Plasmabewegung führt zu veränderlichem Magnetfeld d d 2 dB E eU e e ( BdA) e R dt dt dt 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 Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Schockwellenbeschleunigung - Relativer Energiezuwachs pro Durchlaufen der Schockfront: E 4 u1 u2 E 3 c - Manchmal zwei Fronten, die innere viel schneller als die äußere, hin- und herreflektieren des Teilchens: E v 2 E v wobei ∆v Differenz der Schocks, v Geschwindigkeit des Teilchens - Energien bis 100TeV möglich Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Fermi-Mechanismus 2.Ordnung - Wechselwirkung geladener Teilchen mit Magnetwolken E u 2 2 E v 2 - Da aber normal u<<v, Energiegewinn sehr gering - Nimmt lange Zeit in Anspruch - Erfordert Minimalinjektionsenergie wegen Wechselwirkungsverlusten mit interstellarem Gas Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Pulsare - Durch Drehimpulserhaltung enorme Drehgeschwindigkeiten - 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! Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Doppelsternsysteme - Akkretionsscheibe führt zu gewaltiger Plasmabewegung mit außerordentlich starken elektromagnetischen Feldern - Gravitationsenergie einfallender 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 Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie 1.Knie bei 4,5 PeV Knöchel bei 4 EeV 2.Knie bei 400 PeV≈92 * 4,5 PeV Knie 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 Mikrowellenhintergrund? 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 Simulationen sagen verschiedene ElektronMyon-Verhältnisse für gleiche Elemente voraus Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie Aus gemessenem Verhältnis erhält man mit den verschiedenen Model- len unterschiedliche Einzelspektren für verschiedene Ele- mente 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 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