Eine Detektiv-Geschichte: Kosmische Teilchenbeschleuniger · Eine Detektiv-Geschichte: Kosmische...
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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
eilc
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)