Eine Detektiv-Geschichte:Kosmische Teilchenbeschleuniger

• Wo sind die Kosmischen Beschleuniger ?• Wie funktionieren Sie ?• Kann man sie mit der bekannten Physik verstehen ?

Victor Hess1912

LuftschauerLuftschauer

Antimaterie: die Entdeckung des Positrons(1932)

Seltsame “V” Teilchen

DieDie Geburtsstunde der Teilchenphysik Geburtsstunde der Teilchenphysik

LHC Strahl-energie

GalaktischeQuellen ?

Extra-galaktischeQuellen ?

Energie [eV]

Tei

lche

n-F

luss

Winkelverteilung:isotropChemischeZusammensetzung:≈ Sonnensystem

Modulation durch Sonnenwind

dN/dE ~ E-2.7

dN/dE ~ E-3.0

Spektrum derSpektrum derkosmischenkosmischenStrahlungStrahlung

Kosmische Beschleuniger inunserer Milchstrasse habeneine Leistung von 1034 W

(100000000 x Leuchtkraft der Sonne)

Aktive Galaxien

Quellen hochenergetischer Strahlung:Quellen hochenergetischer Strahlung:die extremsten Objekte des Universums ?die extremsten Objekte des Universums ?

Supernovae

Supernova-Schockwellen als galaktischeSupernova-Schockwellen als galaktischeBeschleuniger ?Beschleuniger ?

Wie kWie köönnten kosmischen Beschleuniger arbeiten?nnten kosmischen Beschleuniger arbeiten?

Unsere Beschleuniger

Wie kWie köönnten kosmischen Beschleuniger arbeiten?nnten kosmischen Beschleuniger arbeiten?

Unsere BeschleunigerZ

ahl d

er T

eilc

hen

Energie

Wie kWie köönnten kosmischen Beschleuniger arbeiten?nnten kosmischen Beschleuniger arbeiten?

Unsere BeschleunigerZ

ahl d

er T

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hen

Energie

Beschleuniger der Natur

Zah

l der

Tei

lche

nEnergie

EnricoFermi

Energiegewinn / Zyklus ∆E/E ~ βshock

... viele 100 Zyklen bis zu TeV Energien …

... etliche 100 Jahre Beschleunigungsdauer

Erzeugt Potenzspektrum dN/dE ~ E-2-ε

… Teilchen fällt irgendwann hinter Schock zurück …

Maximal-Energie ~1015 eV… je nach Diffusionskoeffizient …

Rückgekoppelter Prozess, Effizienz ~50%!… beschleunigte Teilchen erzeugen Plasmawellen …

≥ 10% erforderlich fürCR Erzeugung

aus Supernovae

Beschleuniger der Natur

Wie kWie köönnten kosmischen Beschleuniger arbeiten?nnten kosmischen Beschleuniger arbeiten?

Im Ruhesystem derSchockfront

πo � γγπ± � µ± ν

p+p � π +X

� Abbildung der Quelle mit neutralen Teilchen aus Sekundärprozessen� Gamma- und Neutrino-Astronomie

Kann man die Beschleuniger Kann man die Beschleuniger ““sehensehen”” ? ?

E: O(TeV)

Gamma-Quant

~ 10 kmTeilchen-schauer

NachweisNachweis von vonTeVTeV-Gamma--Gamma-StrahlungStrahlung

mit mit CherenkovCherenkovTeleskopenTeleskopen

~ 1o

Che

renk

ov L

icht

~ 120 m

Cherenkov-Licht am Boden Cherenkov-Licht am Boden (600 x 600 m(600 x 600 m22, 32 ns), 32 ns)

Gamma

ca. 100 Photonenpro TeV und m2

grosse Spiegeldunkle Nächtekurze Integrations-zeiten (~ 10 ns)

Intensität� Schauer-Energie

Bildachse� Schauer-Richtung

Bildform� Primärteilchen

(aus Sky & Telescope)

M

LuftschauerLuftschaueräähneln Meteorenhneln Meteoren

Bild der Quelle istirgendwo auf derBildachse …

MehrereBlickwinkel!

Stereoskopische TeleskopsystemeStereoskopische Teleskopsysteme

NachweisflNachweisflääche eines Cherenkov-Teleskopsche eines Cherenkov-Teleskops

ca. 50000 m2~ 120 m

wichtig, weilhochenergetischeGammas sehr seltensind

GLAST(leicht vergrößert)

UnterscheidungUnterscheidung von Gammas und von Gammas und Hadronen Hadronen

γ

x

x

z

y

p

x

x

z

y

Bildbreite normiert auf erwartete Breite für γ

γ CR

Die 5 HEGRA Teleskope auf La PalmaDie 5 HEGRA Teleskope auf La Palma

MPI für KernphysikMPI für Physik, MünchenUniv. MadridUniv. HamburgUniv. KielUniv. WuppertalYerewan Physics Inst.

Photodetektoren derPhotodetektoren der HEGRA- HEGRA-KamerasKameras

TeV Gamma-Strahlenvom Krebs-NebelWhipple Cherenkov Telescope1989

TeV-HimmelTeV-Himmel T. Kifune/M. Mori

Gamma-Strahlen von Supernovae ?Gamma-Strahlen von Supernovae ?Durchmusterung der Galaktischen Ebene mit HEGRADurchmusterung der Galaktischen Ebene mit HEGRA

die Sonne

alte Supernovae

60 Supernovae untersuchtKeine Strahlung gefundenEmpfindlichtkeit war(gerade) gut genugLimits ~ 0.1 – 1 Crab-Einheiten

EGRET, ~100 MeV

1572: Tycho1572: Tycho’’s supernovas supernova

Erfolgreicher: CANGAROOErfolgreicher: CANGAROO(Japan & Australia)(Japan & Australia)

Lange Zeit das beste/einzigeLange Zeit das beste/einzigeInstrument in derInstrument in derssüüdlichen Hemisphdlichen Hemisphäärere

Supernova 1006Supernova 1006T. Tezel

Röntgen(ROSAT)~ 50 LJ Durchmesser~ 0.5o

TeV GammaCANGAROO 1997Fluss ≈ 0.5 Crab Einheiten

Typ Ia SN

SN 1006:SN 1006:InterpretationInterpretation

Energie-Fluss

E2 dn/dE

Energie der Photonen [eV]

CANGAROOGamma-strahlung

ASCA harte Röntgen-

strahlung

Rosatweiche Röntgen-

strahlung

ChandraRöntgen- strahlung

SN 1006:SN 1006:InterpretationInterpretation

Gammas ausKosm. Strahlung

Energie-FlussE2 dn/dE

Energie der Photonen [eV]

SN 1006:SN 1006:InterpretationInterpretation

Energie der Photonen [eV]

Inverse Compton-streuung

Energie-FlussE2 dn/dE

� Elektronenbeschleuniger !� Energien bis zu 100 TeV… aber keine Protonen ?

Synchrotronstrahlungvon Elektronen

dE/dtIC = kγ2UraddE/dtSy = kγ2Umag ~ B2

X

dn/dE ~ E-2

Energie der Photonen [eV]

Synchrotronstrahlungvon Elektronen

Streuung vonLichtquanten an Elektronen

Energie-FlussE2 dn/dE

StarkesStarkesMagnetfeldMagnetfeld

Gammas ausKosm. Strahlung

Warum Warum ““leuchtetleuchtet”” der SNR nicht gleichm der SNR nicht gleichmäässig ?ssig ?

Völk, Berezhko, Ksenofontov 2003

Injektion schwierig wennB parallel mit Schockfront� Beschleunigung nur nahe der Pole ?� Effizienz statt 50% nur ~10% ?

Cassiopeia ACassiopeia A

Chandra

HEGRA 1999:Tiefe Beobachtung – 232 h6 σ Signal, 0.03 Crab

DetailliertesnichtlinearesModell der Teilchen-beschleunigung(Berezhko et al.)

Cassiopeia ACassiopeia A

Proton-Komponenteerforderlich fürGamma-Fluss

Wichtig: Hohes B-Feldof O(100 µG)

Type II SN(Animation: G. Pühlhofer)

RX J1713.7-3946 (CANGAROO 2000/02)RX J1713.7-3946 (CANGAROO 2000/02)

CANGAROOMuraishi et al. 2000Enomoto et al. 2001, 2002

Ursprung der TeV-GammasUrsprung der TeV-Gammas

B

10 µG

AnpassungElektronen-Spektrum fürgegebenes B

3 µG

VorhersageIC Spektrum

Gammas ausProton-Wechsel-wirkungen

Problem:EGRET Limit !(Pohl)

Viele offene Fragen

� Bessere Daten !� Bestätigung der Cangaroo-Daten� Präzise und räumlich aufgelöste

Spektren� Breiterer Energiebereich� Mehr Quellobjekte

CANGAROOGamma-strahlung

Sichtbares Licht Röntgen Gamma Gamma Gamma (eV) (keV = 103 eV) (MeV = 106 eV) (GeV = 109 eV) (TeV = 1012 eV)

Viele offene Fragen

� Bessere Daten !� Bestätigung der Cangaroo-Daten� Präzise und räumlich aufgelöste

Spektren� Breiterer Energiebereich� Mehr Quellobjekte

XMM, Chandra Integral

GLAST

HESS

MAGICMAGIC (La Palma) (La Palma)

• MAGIC: completion in 2003

CANGAROO III (Australien)CANGAROO III (Australien)

• CANGAROO-III: completion in 2003

CANGAROO IIICANGAROO III

VERITAS (USA)VERITAS (USA)

• VERITAS: VERITAS-4 by 2006, then -7

HHighigh E Energynergy S Stereoscopictereoscopic S Systemystem (Namibia) (Namibia)

• H.E.S.S.: completion in 2004

Warum Warum Namibia ?Namibia ?

Aber, was ist wenn das alles nicht hilft ?Aber, was ist wenn das alles nicht hilft ?

pπ

γ

ν

γ

Neutrino-Detektorennutzen die Erde als Abschirmunggegen die normale kosmischeStrahlungmüssen sehr groß sein (1 km3)

Der Kosmos in anderem Licht:Der Kosmos in anderem Licht:hochenergetische Neutrinoshochenergetische Neutrinos

pπ

γ

γ

ν

AMANDA / ICE CUBE am SAMANDA / ICE CUBE am Süüdpoldpol

AMANDA RealitAMANDA Realitäätt

GalaktischeQuellen ?

LHC Strahl-energie

Extra-galaktischeQuellen ?

Energie [eV]

Tei

lche

n-F

luss

Die kinetische Energievon einem Grammdieser Teilchen decktden Weltenergiebedarffür 1000 Jahre!

Die hDie hööchstenchstenEnergienEnergien

NachweisNachweis

Detektorarray amBodenFluoreszenzspur inder AtmosphäreRadiostrahlung derSchauerteilchen (?)...

AGASAAGASAAkeno Giant AirAkeno Giant AirShower ArrayShower Array

0 4km

Scintillator-Luftschauer-Detektor111 Electron Detectoren27 Myon Detectorenauf 100 km2 in Japan

FlyFly‘‘s Eye in UTAHs Eye in UTAHmore details...more details...

AGASA

2.7 K

Problem: GZK CutoffProblem: GZK Cutoff

begrenzt freie Weglänge auf ca. 30 Mpc

MMöögliche Beschleuniger ...gliche Beschleuniger ...

müssen “nah” sein (< 30 Mpc)Gyroradius muss in Quellepassen (minimales B.D)sollten wegen geringerAblenkung sichtbar sein ...

“Hillas Diagramm”

> 200 EeV

Sigl

AGASA-KugelplotAGASA-Kugelplot

AGASA 2001 40-100 EeV >100 EeV

Exotische Mechanismen ?Exotische Mechanismen ?z.B. z.B. ZBURSTZBURST

Weiler, Fodor, Katz, Ringwald a. o.

aber ...aber ...

• 1600 Detektoren• 3000 km2 Fläche1.5 km

Nature 419, 2002:

1604: Kepler1604: Kepler’’s Supernovas Supernova

Sonjo Sillok(“Royal KoreanJournal”)

MAGIC

CANGAROO

VERITAS

H.E.S.S.

Essentiell: kurze BelichtungszeitenEssentiell: kurze Belichtungszeiten

1/10000(100 µs)

1/100000(10 µs)

1/1000000(1 µs)

1/10000000(100 ns)

1/100000000(10 ns)

1/10000(100 µs)

1/100000(10 µs)

1/1000000(1 µs)

1/10000000(100 ns)

1/100000000(10 ns)

1/10000(100 µs)

1/100000(10 µs)

1/1000000(1 µs)

1/10000000(100 ns)

1/100000000(10 ns)

1/10000(100 µs)

1/100000(10 µs)

1/1000000(1 µs)

1/10000000(100 ns)

1/100000000(10 ns)

1/10000(100 µs)

1/100000(10 µs)

1/1000000(1 µs)

1/10000000(100 ns)

1/100000000(10 ns)