8.1.Kosmische Strahlung.

Kosmische Strahlung-Energie und
Zusammensetzung
Michael Knödlseder
8. Dezember 2008
Ausbildungsseminar
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
3
2 Historische Entwicklung
3
3 Zusammensetzung
4
3.1 Ausug in das Standardmodell der Teilchenphysik
3.2 Primäre kosmische Strahlung . . . . . . . . . . .
3.2.1 WW mit dem ISM . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Einuss von Magnetfeldern . . . . . . . . .
3.3 Sekundäre kosmische Strahlung . . . . . . . . . .
3.3.1 Lichtschauer . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Propagation in der Atmossphäre . . . . . .
4 Energie und Spektum der kosmischen Strahlung
4.1
4.2
4.3
4.4
Mögliche Ursachen für das Knie
Ursachen für den Knöchel . . .
Wo kommen die Teilchen her? .
GZK-cuto . . . . . . . . . . .
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. 5
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. 11
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12
14
17
17
18
5 Detektoren
19
6 Zusammenfassung
22
7 Quellen
24
5.1 Auger-Teleskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.2 Ice-Cube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5.3 Super-Kamiokande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
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1 Einleitung
Die kosmische Strahlung war bis zum Bau der ersten Teilchenbeschleuniger die einzige Möglichkeit hochenergetische Teilchen zu untersuchen. Jedoch können auch jetzt
beiweitem nicht die Energien erreicht werden, die die Stahlung aus dem Kosmos bereitstellt. Ich möchte nun einen kleien Einblick in die Zusammensetzung und Energie
der kosmischen Strahlung geben. Ausserdem werden noch verschiedene Detektoren
zur Untersuchung der Komponenten der Primären und Sekundären Teilchen vorgestellt.
2 Historische Entwicklung
• 1912: Der österreichische Physiker Viktor Franz Hess zeigte mit seinem Ballon,
mit dem er auf 5000m og, das die damals gängige Meinung, dass die ionisierende Stahlung in der Atmosspähre auf die natürliche Radioaktivität aus der
Erdkruste zuruckzuführen ist, falsch war. Hess zeigte mit seiner Ballonfahrt,
bei der er mehrere Elektrometer mit sich führte, dass die Intensität der ionisierenden Strahlung mit der Höhe zunimmt. Das liess nur eine Schlussfolgerung
zu: Die Strahlung musste extraterrestrischen Ursprungs sein und er gab ihr
den Namen KOSMISCHE STRAHLUNG. Für seine Entdeckung erhielt er
1936 den Nobelpreis.
Abbildung 1: Viktor Franz Hess vor seinem Ballonexperiment
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• 1927: Dimitry Skobelzyn wies mit einer Nebelkammer das erste mal Sekun-
därteilchen nach.
• 1929: W.Bothe und W.Kolhörster wiesen mit zwei Geiger-Müllerzählrohren,
welche durch einen Absorber getrennt waren, gleichzeitige Ereignisse nach.
• 1938: Pierre Auger stellte in den Alpen zwei Detektoren in meheren 100m
Abstand auf. In ihnen konnte er gleichzeitige Ereignise nachweisen. Durch
diese Koinzidenznexperimente schloss er auf ausgdehnte Luftschauer, die von
Primärteilchen mit der Energien 1015 eV ausgelöst werden.
• 1932-1947: Kosmische Strahlung ermöglicht es in Nebelkammern und Photo-
emulsionen neue Elementartilchen(Positronen, Myonen, Pionen und Kaonen)
nachzuweisen.
• ab 1950: Die Entdeckung dieser Elementarteilchen heizt die Entwicklung und
den Bau von Teilchenbeschleunigern an.
3 Zusammensetzung
3.1 Ausug in das Standardmodell der Teilchenphysik
Grundsätliches gibt es 12 verschiedene Elementarteilchen. Sie werden in drei Generationen unterteilt:
1. Generation: Elektron e− , Elektron-Neutrino νe , Up-u und Down-d Quarks
2. Generation: Myonen µ, Myon-Neutrino νµ , Charm-c und Strange-s Quarks
3. Generation: Tauon τ , Tauon-Neutrino νtau , Top-t und Bottom-b Quarks
Abbildung 2: Überblick über die Elemtarteilchen
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Besonders interessant für die Astrophysik sind Myonen und Neutrinos, da sie einen
sehr geringen Wechselwirkungsquerschnitt besitzen.
3.2 Primäre kosmische Strahlung
Die Primäre kosmische Strahlung besteht aus einer geladene Komponente-Elektronen,
Protonen(ca.85-88%), ionisierten α-Teilchen (ca. 10-12%) und schwereren Kernen
(ca. 1%).Auÿerdem sind Photonen in einem weiten Energieband vertreten. Die Elementzusammensetzung ähnelt sehr der relativen Häugkeit in unserem Sonnensystem.
Abbildung 3: Elementehäugkeit
Sonnensystem
in
der
Kosmischen
Strahlung
und
im
Beide Kurven zeigen den Gerade-Ungerade-Eekt. D.h. Kerne mit einer geraden
Anzahl von Protonen und Neutronen haben eine gröÿere Häugkeit als die mit
ungerader Anzahl an Nukleonen. Dies liegt an der höheren Bindungsenergie. Die
Abweichungen der relativen Häugkeit der einzelnen Komponenten kommen wie
folgt zu stande:
• H: Aufgrund seiner hohen Ionisatiosenergie, kommt dieses Element nicht so
häug in geladener Form vor.Das bedeutet aber auch, dass es seltener beschleunigt wird.
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• Li, Be und B: Werden erst in Sekundär-Prozessen in der Galaxie durch Spal-
lationsprozesse mit schwereren Kernen wie C, O und N produziert.
• Sc, Ti, V, Cr und Mn: Diese sind wahrscheinlich aus Spallationsprozess des
häug vorkommenden Fe entstanden.
Auf den Spallationsprozess wird im nächsten Punkt näher eingegangen.
3.2.1 WW mit dem ISM
Als interstellares Medium bezeichnet man sowohl Materie (also Staub und ionisiertes
und neutrales Gas), als auch elektromagnetische Felder.
• Diusionsgleichung: In der Scheibe einer Galaxie ist die Dichte gröÿer als im
Halo. Werden die Teilchen an irgeneiner Stelle im Raum beschleunigt wird die
Ausbreitung der kosmischen Strahlung im intergalaktischen Raum durch eine
Diusionsgleichung beschrieben.
δNi
=
δt
Qi +
|{z}
Quellterm
D∆Ni
| {z }
Dif f usionsterm
+
δ
[b(E)Ni ] −
|δE {z
}
V erluste
Ni
τi
|{z}
Zerf all,Spallation
+
X Pij Nj
|
τ
{z j }
Spallation
(1)
Die Änderung der Teilchendichte setzt sich zusammen aus: dem Quellterm, die
Verluste, die durch Ionisation und Synchrotronstrahlung bei der Ausbreitung
zustande kommen, Verluste die durch den radioaktiven Zerfall zustande kommen und den Verlust an Teilchen der durch Spallation, also die Umwandlung
der Sorte i in j.
Die Streuzentren für die Spallation sind Kerne des ISM oder Reststaubs. Dieser
.
besitzt eine Dichte von 1particle
cm3
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Abbildung 4: Beispiel für Spallationsprozess
Nach kurzer Rechnung mit der Diusionsgleichung kommt man auf folgendes
Ergebnis:
Ns (x)
Np (x)
= Qp + Pps ∗ Np ,
= +Psp ∗ Ns
τp
τs
(2)
wobei p=primäres- und s=sekundäres- Teilchen bedeutet. Der neu eingeführte Spallationsterm ist dabei wegabhängig. Diese Wegabhängigkeit kann man
auch durch die Materiesäule beschrieben, oder anders ausgedrückt: Wieviel
Materie das primäre Teilchen sieht.
Z
X=
ρ(l)dl
(3)
Dies führt dann nach kurzer Rechnung auf die Rate Sekundät/Primär Teilchen.
p
1 − exp( −X
)
s
λ
=
Xp
p
exp − ( λ )
(4)
Wobei λ die mittlere freie Weglänge zwischen zwei Spallationsprozessen ist.
Diese ist aus der Teilchenphysik bekannt- bestimmt aus Beschleunigungsprozessen und deren Querschnitten.
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3.2.2 Einuss von Magnetfeldern
Der Gyroradius oder auch die Lamorfrequenz ist eine wichtige Gröÿe zum Berechnen
von Cutos.
rg =
p
z∗e∗B
(5)
Auch die magnetische Steigkeit, welche ein Maÿ für die Spurtreue eines Teilchens
ist:
R=
p
=B∗r
z∗e
(6)
• Erdmagnetfeld: Da das Erdmagnetfeld inhomogen ist, nehmen wir zur Verein-
fachung an, dass es sich um ein ideales Dipolfeld handelt.
B=
µ0 ∗ pM
,mit
4π ∗ r3
µ0
4π
= 10−7 T mA−1 und pm ≈ 8, 1 ∗ 1022 Am2
(7)
Nach kurzer Rechnung, erhält man die Formel für Kreisbahnen um die Dipolachse in der Äquatorialebene:
r
rs =
µo ∗ pm ∗ z ∗ e
=
4∗π∗p
r
µo ∗ p m
, sog.Stoermerradius.
4∗π∗R
(8)
Vom geographischen Nordpol aus gesehen bewegen sich positiv geladenen Teilchen auf einer rechtsdrehenden Kreisbahn, also von Ost nach West. Setzt man
in rE in rs ein so erhält man für die Steigkeit, die ein positives Teilchen mindestens haben muss, um den Erdboden zu erreichen, von Rs = 59.6GV . Das
entspricht einer Energie von ca 60MeV.
• Das "Hintergrundmagnetfeld"von 3 ∗ 10−10 T :
Die geladenenen Teilchen in der kosmischen Strahlung werden von elektrischen und magnetischen Feldern auf ihrem Weg durch den Raum abgelenkt.
Die relevante Gröÿe hierfür ist das Hintergrundmagnetfeld von 3 ∗ 10−10 T .
Magnetfelder werden durch Sterne, Planeten, geladene Teilchenströme (z.B.
Sonnenwinde) hervorgerufen. Diese bilden ein chaotisches B-Feld. Eine reguläre Komponente bilden die Spiralarme von Galaxien. Hier verlaufen die BFeldlinien entlang der Arme, welche um das galaktische Zentrum kreisen.
Die Lamorradien geben Aufschluss darüber, ob kosmische Strahlung eine Galaxie verlassen kann oder nicht.
Fz = FL
(9)
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m ∗ v2
=q∗v∗B
r
r=
p
E
=
, wennv ≈ c → pc = E
z∗q∗B
z∗q∗B∗c
(10)
(11)
Hier nun typische Beispiele für Lamorradien bei verschiedenen Energien:
1012 eV ⇔ 3 ∗ 1012 m
1015 ev ⇔ 3 ∗ 1015 m
1018 eV ⇔ 3 ∗ 1018 m
Man sieht das Teilchen zu geringer Energie nicht in der Lage sind ein
Sonnensystem oder eine Galaxie zu verlassen.
Abbildung 5: Ausmaÿe einer Galaxie
Wobei 1pc = 3, 26lyr = 3, 1 ∗ 1015 m = 206, 265AE
3.3 Sekundäre kosmische Strahlung
Diese Strahlung ist im eigentlichen Sinne gar keine kosmische Strahlung mehr.
Teilchen der primären kosmischen Strahlung wechselwirken in unserer Atmosphäre mit Molekülen und es entsteht die sog. sekundäre kosmische Strahlung.
Ein einfallendes Teilchen, z.B. ein Proton der Energie von 1015 eV erzeugt in
der Atmosphäre ca 1Millionen Sekundärteilchen. Dieses Phänomen bezeichnet
man auch als Lichtschauer.
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3.3.1 Lichtschauer
Die Grak zeigt das aus einem Proton eine Vielzahl von Teilchen entstehen.
Die Zusammensetzung dieser Schauer am Boden ist zu etwa 1, 7% leptonisch,zu
0, 3% hadronisch und zu 80% aus einer elektromagnetischen Komponente.
Abbildung 6: Komponenten der Sekundärstrahlung
Trit z.B. ein Proton der Primärstrahlung auf ein Proton der in der Atmosphäre, so kommt es zu folgenden Prozessen:
1. p + p → p + p + π 0 oder p + p → p + n + π +
Das Pion zerfällt über schwache Wechselwirkung in ein Myon:
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2. π ± → µ± + νµ
Diese Myon zefällt mit einer Halbwertszeit von 2, 2 ∗ 10−6 s (im Ruhsysstem) über schwache Wechselwirkung in:
3. µ± → e± + νµ + νµ
Abbildung 7: Feynman-Diagramm eines Myonzerfalls
Das Verhältnis von positiv- zu negtivgeladenen Pionen/Myonen beträgt:
N (µ+ )
N (π + )
= 1, 25 und Rµ = N
= 1, 28
Rπ = N
(π − )
(µ− )
3.3.2 Propagation in der Atmossphäre
Nun wollen wir uns noch über die Ausbreitung und Reichweite der primären
kosmischen Strahlung in der Atmosphäre unterhalten. Die Einfallenden Teilchen sehen eine Art Flächendichte, die sog. atmospährische Tiefe X = 1030 cmg−2 .
Die Dichte verhält sich nach der barometrischen Höhenformel, wenn man aufgrund der Temperaturabhängigkeit von H = RTgm eine mittlere Temperatur
annnimt.
ρ(h) = ρ0 ∗ exp[−
Z
h
], mitH = 6315km
H
∞
ρ(h) = x(h) = X ∗ exp[−
h
h
]
H
(12)
(13)
Die geladenen Teilchen reagieren mit der Atmosphäre und die mittlere freie
Weglänge λf ergibt sich aus der Teilchendichte n und dem Wirkungsquerschnitt σ der Targetteilchen.
λf =
1
σ∗n
(14)
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n=
ρ ∗ NA
m
(15)
So lässt sich die freie Weglänge in der selben Dimension wie die atmosphärische
Tiefe angeben.
λm
f = λf ∗ ρ =
m
NA ∗ σ
(16)
g
Für Protonen wird ein freie Weglänge in Luft von λm
f = 90 cm−2 angenommen.
≈ 12 Wechselwirkungslängen dar, was für die
Die Atmosphäre stellt also 1030
90
Protonen undurchdringlich ist.
Damit entspricht die mittlere Weglänge einer mittleren Höhe für die erste WW:
h
X
x(h) = λm
f = X(h) ∗ exp[− H ] = ln λm ≈ 16km
f
4 Energie und Spektum der kosmischen
Strahlung
Die Energie der kosmischen Strahlung folgt einem Potengesetz der Form:
dN
∝ Eγ
dE
(17)
Die Tatsache, dass die Energieverteilung keinem Exponentialgesezt folgt, lässt
den Schluss zu, dass es sich nicht um ein thermisches Problem handelt. Anhand
der folgenden Graphen kann man sehen, dass sich das Potenzgesetz an zwei
Stellen ändert. Zum einem beim Knie, wo γ = −2, 7 auf γ = −3, 0 steigt
und beim sog Knöchel, bei welchem die Kurve wieder acher wird, also γ den
Wert -2,6 annimmt. Das Knie liegt bei ca. 4 ∗ 1015 eV und der Knöchel bei ca.
5 ∗ 1018 eV . Dabei nehmen die Flussdichten um einen Faktor von fast 1030 ab.
Für das Knie gibt es einige Modelle die das schnelle Abfallen erklären. Die
Erklärung des Knöchels ist aufgrund der kleinen Flüsse ein grosse Problem.
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Abbildung 8: Spektrum der kosmischen Strahlung, Fluss wird gegen Energie
aufgetragen
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Abbildung 9: Spektrum multipliziert mit E 2,5
4.1 Mögliche Ursachen für das Knie
1. Limitierte Energie in SN-Schockfronten:
Ein gutes Modell zur Erklärung des Spektrums der kosmischen Strahlung
liefert Enrico Fermi. Hier werden die Teilchen an Schockfronten von SNExplosionen beschleunigt. Die Energie E, die ein Teilchen an solch eienr
Schockfront gewinnen kann ist ∝ Z ∗ B . Schätz man das B-Feld der
SN anhand der gemessen Zyklotron-Strahlung ab, so erhält man eine
maximale Energie von Emax ∗ 1015 eV . Da die maximale Energie von Z
abhängt erwarten wir ein rigiditätsabhängiges Abknicken.
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Abbildung 10: Knie in Zbhängigkeit von Z
2. Entweichen aus Galaxien:
Eine andere Erklärung wäre das Entweichen der Teilchen aus unserer
Galaxie ab einer bestimmten Enrgie. (Siehe Hintergrundmagnetfeld)
3. Unbekannte Komponente:
Auch das vorhanden sein einer noch unbekannten Komponente in der
sekundären kosmischen Strahlung wäre eine Eklärung für das Knie. So
würde bei indirekter Messung der primären Strahlung eine ganze Komponente nicht registriert. Ein Problem dieser Erklärung ist aber die massenabhängige Wechselwirkung. So verhält sich ein Eisenkern wie 56 Protonen
und das Abknicken müsste erst bei einem 56 mal gröÿeren Enegiewert eintreten. D.h. das Knie wäre abhängig von der Nukleonenzahl A.
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Abbildung 11: Knie in Abhängigkeit von A
4. Einzelne nahe Quellen:
A.D.Eryklin und A.W.Wolfendale begründen das Knie durch eien Überlagerung von zwei Spektren. Zum einen das Hintergrundsignal, welches
durch weit entfernte Quellen verursacht wird und einer Quelle, z.B. einen
SNR, welche sehr Nahe ist.
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Abbildung 12: Abknicken für verschiedene Elemente
4.2 Ursachen für den Knöchel
Eine Erklärung für den Knöchel wäre die Tatsache, dass Teilchen dieser Energie
unsere Galaxie, und damit auch andere Galaxien, verlassen können. So könnten
Quellen, welche bisher noch nicht entdeckt wurden, für die hohe Anzahl der
Ereignisse verantwortlich sein.
4.3 Wo kommen die Teilchen her?
Der Ursprung der kosmichen Strahlung ist für geringe Energien gut verstanden.Für hohe Energien jedoch nicht.
Energien < 500 MeV (im Mittel um 10 MeV):
Überwiegend Protonen und Alphateilchen, welche von Sonnenwinden herrühren. Die Teilchendichte liegen im Bereich von cm5 3 . Bei Sonnenare,
also Eruptionen auf der Sonne, kann die Teilchendichte innerhalb kurzer
5o
Zeit auf cm
3 ansteigen.
Energie von einigen GeV:
Hierbei handelt es sich um galaktische kosmische Strahlung (GCR). Die
Teilchendichten sind sehr gering.
Energie grösser 10 Gev:
Hier handelt es sich um extragalaktische kosmische Strahlung, die bis zu
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1020 eV erreicht. Die Fluÿdichten liegen unterhalb von 10-20 Teilchen pro
Sekunde und Quadratmeter.
4.4 GZK-cuto
Dieser Eekt ist nach den Physikern Kenneth Geisen, Vadim Kuzmin und
Georgiy Zatsepin benannt, welche diesem bereits im Jahre 1966 vorhersagten. Hochenrgetische Protonen können demnach ein maximale Entfernung von
50Mpc (163Mio Lichtjahre) haben. Denn ab einer Energie von 6 ∗ 1019 eV kann
es zur sog. Deltareonanz kommen. Diese Resonanz ist ein kurzlebiger -10−23 sangeregeter Zustand eines Hadrons, welches durch starke WW in ein leichteres Hadron Zerfällt. Die Zerfallsprodukte dieses Quasiteilchens werden nun
gemessen und man Rückschlüsse auf die Masse der Resonanz machen. Die Deltaresonanz ist z.B. ein angeregter Zustand des Protons mit einer Energie von
1232MeV.
γ + p → ∆+ → π + + n
γ + p → ∆+ → π 0 + p
Dabei reagiert ein Photon der Hintergrundstrahlung (2,7K≈300MeV im ProtonSystem) mit dem Proton. Das ∆+ -Teilchen besteht genauso wie das Proton aus
drei Quarks, nämlich uud. Hat das Proton nach dem Prozess immer noch eine
Energie über 6∗1019 eV , so kann es erneut zu einer Deltaresonanz kommen. HiRes und AUGER haben den Cuto bestätigt, wohingegen das AGASA-Projekt
Teilchen höherer Energien endeckt hat.
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Abbildung 13: GZK-Cuto für verschiedene Energien
Anhand dieser Graphik kann man erkenne, dass unabhängig von der Anfangsenergie der Nukleonen, die Reichweite dieser hochenergetischen Teilchen begrenzt ist. Dabei ist die durchschnittliche Teilchendichte von Photonen der
Hintergrundstrahlung 412 P hotonen
.
cm3
5 Detektoren
5.1 Auger-Teleskop
Das Auger Teleskop ist-mit seinen 3000km2 -die gröÿte Anlage zur Messung
höchstenergetischer kosmischer Strahlung auf der Erde. Dabei misst es nicht
die hochenergetische primäre kosmische Strahlung, sondern die dadurch entstehenden Luftschauer. Es besteht aus zwei Feldern, auf denen mit verschiedenen
Messaparaturen simultan gemessen wird. Einer der Anlagen, welche sich im
Bau ist, bendet sich in der Provinz Mendoza, Argentinien. Ein zweites,welche
die nördliche Hemisspähre untersuchen soll, soll nach der Fertigstellung des
Süd-Observatoriums in einem Areal bei Lamar, Colorado, USA errichtet werden.
Abbildung 14: Verteilung der Teleskope und Wassertanks des Auger-Observatoriums
Das Areal, welches so groÿ wie das Saarland ist, wird mit 1600 Wassertanks bebaut. Die Tanks sind 1500m voneinnander entfent und arbeiten-dank Solartechnikkomplett autark. Jede Station besteht aus einem zylindrischen Tank von 10m2
Grundäche und 120 cm Höhe, gefüllt mit 12 Tonnen hochreinem Wasser als
Detektionsmedium. Die Lichtgeschwindigkeit ist im Wasser um ungefähr einen
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Faktor 1,3 geringer als im Vakuum, daher können sich hochenergetische Teilchen im Wasser schneller bewegen als das Licht. Ist dies der Fall, so strahlen die
Teilchen sogenanntes Tscherenkow-Licht ab, welches mit jeweils drei neun Zoll
Photomultipliern (PMT) gemessen wird. Zu den Wassertanks kommen an den
Ecken des Gebiets noch vier Teleskope(welche jeweils aus sechs Fluoreszenzteleskope bestehen) um in klaren Nächten die Entwicklung eines Luftschauers zu
verfolgen. Dies ist möglich da die geladenen Teilchen des Schauers den Sticksto der Luft zur Emission von ultraviolettem Fluoreszenzlicht anregen, welches anschliessend mit hochempndlichen Fluoresenzteleskopen nachgewiesen
werden kann. Hierzu wird das einfallende Licht auf einer grossen Spiegeläche
von etwa 12 Quadratmetern gesammelt, auf eine Kamera mit 440 Photonenvervielfachern gebündelt und dort alle 0.1 Mikrosekunden aufgezeichnet.Mit
diesen zusätzlichen Daten kann man auf die Art und die Richtung der Primärteilchen schliessen.
5.2 Ice-Cube
Der am Südpol gelegene Neutrinodetektor IceCube besteht aus 4200 Optischen
Detektoren (sog.DOM-Digital Optical Moduls), welche an 70 vertikalen Seilen,
zwischen 1450m und 2450m, befestigt sind.
Abbildung 15: Schematische Aufbau von ICECUBE
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Abbildung 16: Aufbau eines Digital-Optischen-Detektors
IceCube soll hochenergetische Neutrinos im Bereich zwischen 1015 eV und 1021 eV
messen. Interessant sind nicht Neutrinos die von oben in den Detektor fallen,
sonder diejenigen welche von unten, also durch die Erde iegen. Diese Neutrinos, welche nicht von der Sonne oder von primärer kosmischer Strahlung
erzeugt werden, sind es, die man sucht um extragalaktische Quellen zu bestimmen. Der Detektor misst Neutrinos nicht direkt, sondern Myonen welche
durch Kollision mit Wassermolekülen im Eis entstehen. Diese Myonen leuchten
auf ihrem Weg durch das Eis. Wenn der Detektor fertiggestellt ist, soll er bis
zu 1000 Ereignisse pro Tag regestrieren.
5.3 Super-Kamiokande
Hier werden auch überwiegend Neutrinos detektiert. Es besteht im wesentlichen aus zwei Kammern, welche mit hochreinem Wasser gefüllt sind und in
einer tiefe von etwa 1km liegt. Die äussere Kammer ist mit 18000t Wasser
gefüllt und dient zur Abschirmung gegen Radioaktive Strahlung des umliegenden Gesteins. Die innere Kammer ist mit 32000t Wasser gefüllt und dient der
Detektion. Der Tank ist mit 11200 Photomultipliern ausgestattet. Im Inneren
wird das Tscherenkow Licht von Myonen und Elektronen, welche durch einfallende Neutrinos erzeugt werden, detektiert. Jedoch nur das Licht, das von
Elektronen erzeugt wird stammt von Neutrinos. Denn die Myonen können den
äusseren Tank durchqueren, Elektronen jedoch nicht.
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Abbildung 17: Aufnahme des Kamiokande-Detektors von innen
6 Zusammenfassung
Bis in die 50er Jahre war die Kosmische Strahlung die einzige Möglichkeit
hochenergetische Teilchen zu erhalten. Es ist schwierig, ab eiener gewissen
Energie genügend Teilchen zu detektieren, um Aussagen über ihre Herkunft
treen zu könne. So sind bei 1012 eV 10particle
zu beobachten, beim Knie z.B.
min∗m2
1particle
sind es gerade noch a∗m2 .
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Abbildung 18: Vergleich der Energien von LHC, Tevatron und der kosmischen
Strahlung
Obwohl am LHC 14TeV bei einem Zusammenstoss von 2 Protonen erreicht
werden,wird es wohl nie gelingen Energien zu erreichen,die annähernd an die
der kosmischen Strahlung reichen.Der Vorteil des 6,4Mrd Euro teuren Anlage ist die unbegrenzt reproduzierbare Menge an hochenergetischen Teilchen.
Man muss also keine 200a warten um ein Ereigniss zu sehen.Den ungeheuren
Aufwand den man betrieben hat um den 27km Ringbeschleuniger in 100m
Tiefe zu bauen ist angesichts der Aussicht auf ein besseres Verständnis der
Welt, gerechtfertigt.Auch Projekte wie AUGER und ICE-CUBE, welche in
den nächsten Jahren erste Messergebnise liefern sollen, lassen auf ein bessere
Verständnis der kosmischen Strahlung höchster Energie hoen. Die nächsten
Jahre werden also sehr interessant.
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7 Quellen
Abbildungen:
1. www.auger.de
2. www.wiki.org
3. www.uni-heidelberg.de
4. www.physik.robert-ebner.de
5. physik.robert-eber.de/data/Hauptseminar/Ausarbeitung.pdf
6. www.physics.adelaide.edu.au/.../shower_large.gif
7. www.xplora.org
8. www.astroparticle.uhchicago.edu/sciam1.jpg
9. www.astroteilchenphysik.de
10. http://particle.astro.kun.nl/hs0607/A-Vogel.pdf
11. http://particle.astro.kun.nl/hs0607/A-Vogel.pdf
12. http://particle.astro.kun.nl/hs0607/A-Vogel.pdf
13. www.auger.de
14. www.zeit.de
15. ice.cube.burtal.udel.edu
16. www.icecube.wisc.edu/info/how/dom/phy
17. www-numi.fnal.gov
18. www.auger.de
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