Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

Kosmische Höhenstrahlung besonders im Bereich des Knies

Stephan WittmannBetreuer 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

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- Überblick

- Zusammensetzung und Energiespektrum

- Nachweis

- Ursprung und Beschleunigung

- Knie

Entdeckung und Geschichte

- 1910 Wulf: Eiffelturmexperiment:

→ Abnahme der Ionisation

→ ionisierende Strahlung aus

Erde

- 1911/12 Viktor Hess: Ballon-

experimente:

→ Anstieg der Ionisation ab

~1000m

→ Neue Strahlung aus Kosmos

(1936 Nobelpreis)

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- 1914 Kohlhörster: Bestätigung der Ergebnisse von Hess

- 1927 Clay: Strahlungsintensität hängt von geomagnetischer Breite ab

- 1927 Skobelzyn: Sekundärteilchen in Nebelkammer photographiert

- 1929 Bothe/Kohlhörster: Koinzidenz- messungen → geladene Teilchen

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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 Rönt-

genstrahlung

- 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

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Primäre Komponente

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- Chemische Zusammen- setzung in weitgehender Übereinstimmung mit Sonnensystem

- Überhäufigkeit der Ele- mente Li, Be und Bo (wegen Spallation von O

und C?), sowie der Elemente unterhalb von Eisen (Ti, V, Cr, Mn)

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

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Energiespektrum

• Energien von MeV bis ~3*1020eV

• Knie bei 4*1015eV• Knöchel bei

4*1018eV

→Potenzgesetz

dN/dE ~ E-γ

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Für Energien <1015eV γ=2,7Für Energien zwischen 1015 und 1018 γ=3

direkter Nachweis

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- Oberhalb bzw. am oberen Rand der Atmosphäre mit Ballonen oder Satelliten, dadurch wenig Beein- flussung der Primärteilchen

- Bis zu Energien von 1014eV

(JACEE: Japanese-American

Collaborative Emulsion

Experiment )

- Magnetspektrometer

- Szintillationszähler

- Aerogel-Cherenkovzähler

- Flugzeitmessung

→Damit lässt sich Ladung, Energie und Richtung des Teilchens bestimmen

(ISOMAX: Isotope Magnet

Experiment )

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Indirekter Nachweis

- Sehr geringer Teilchefluss,

bei den höchsten Energien:

0,005/km2Jahr

- Direkte Messung unmöglich

- Indirekter Nachweis durch

Detektion der Sekundär-

teilchen

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Luftschauer durch Wechselwirkung mit Atmosphäre

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- 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

- 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

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- Großflächige Anlage zur Detektion der Teilchen- Teleskope zum Nachweis der Fluoreszensstrahlung

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KASCADE (Karlsruher Shower Core and Array Detektor)

Untersuchung speziell im Bereich des Knies

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KASCADE Grande

Pierre Auger Observatory

- Anordnung von 1600(!) Wassertanks mit je 12m3

Wasser und

Photomulitplier

- Gesamtfläche

von 3000km2

- 24 Teleskope

zur Messung der

Fluoreszenz

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Auger Fluoreszensteleskop

Kombination von Teilchen-

und Fluoreszenzdetektion

erlaubt Rückschlüsse auf:

- Einfallsrichtung

- Energie

- Ladung (Elementtyp)?

des primären Teilchens

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Ursprung

- Wegen hoher Energiespanne müssen verschiedene Quellen und Mechanismen in Betracht gezogen werden

- Durch Ablenkung der Teilchen im interstalleren Magnet- feld im Allgemeinen keine Information über Herkunft

- Vielleicht Richtungsinformation durch

- Neutrinos

- γ-Strahlung

- höchstenergetische Teilchen

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Mögliche Quellen in unterschiedlichen Energiebereichen:

- Teilchen mit E<1015eV:

- Sonnenwind

- Supernovareste

- Pulsare

- Teilchen mit E>1015eV

- Doppelsterne

- Quasare / AGN‘s

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- Zyklotronmechanismus- Beschleunigung durch Sonnenfleckenpaare- Schockwellenbeschleunigung- Fermi-Mechanismus 2. Ordnung- Pulsare- Doppelsternsysteme- AGN

Beschleunigungsmechanismen

Zyklotronmechanismus- Kann in jedem Stern vorkommen

- Plasmabewegung führt zu veränderlichem Magnetfeld

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

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2( )d d dB

E eU e e BdA e Rdt dt dt

Schockwellenbeschleunigung- Relativer Energiezuwachs pro Durchlaufen der Schock-

front:

- Manchmal zwei Fronten, die innere viel schneller als die äußere, hin- und herreflektieren des Teilchens:

wobei ∆v Differenz der Schocks, v Geschwindigkeit des Teilchens

- Energien bis 100TeV möglich

1 24

3

u uE

E c

Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung KnieÜberblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie

2E v

E v

Fermi-Mechanismus 2.Ordnung- Wechselwirkung geladener Teilchen mit Magnetwolken

- Da aber normal u<<v, Energiegewinn sehr gering

- Nimmt lange Zeit in Anspruch

- Erfordert Minimalinjektionsenergie wegen Wechselwir- kungsverlusten mit interstellarem Gas

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2

22

E u

E v

Pulsare- Durch Drehimpulserhaltung enorme Drehgeschwindig-

keiten

- 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!

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Doppelsternsysteme- Akkretionsscheibe führt zu

gewaltiger Plasmabewegung

mit außerordentlich starken

elektromagnetischen Feldern

- Gravitationsenergie einfallen-

der 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

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Knie

1.Knie bei 4,5 PeV Knöchel bei 4 EeV 2.Knie bei 400 PeV≈92 * 4,5 PeV

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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 Mikro-wellenhintergrund?

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Poly-Gonato-Model

Einzelfluss der Elemente extrapolieren und addieren

führt zu:

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QGSJet vs. SIBYLLLuftschauersimulationen mit verschiedenen Parametern

führen zu verschiedenen Ergebnissen

Die beiden Simula-

tionen sagen ver-

schiedene Elektron-

Myon-Verhältnisse

für gleiche Elemente

voraus

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Aus gemessenem

Verhältnis erhält

man mit den ver-

schiedenen Model-

len unterschiedliche

Einzelspektren für

verschiedene Ele-

mente

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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

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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

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