Kosmische Strahlung Seminarvortrag am 22.11.2004 Scheinseminar zur Astro- und Teilchenphysik...
-
Upload
johann-tiedeman -
Category
Documents
-
view
215 -
download
0
Transcript of Kosmische Strahlung Seminarvortrag am 22.11.2004 Scheinseminar zur Astro- und Teilchenphysik...
Kosmische Strahlung
Kosmische StrahlungSeminarvortrag am 22.11.2004
Scheinseminar zur Astro- und Teilchenphysik
Friederike Deffner
Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
2Kosmische Strahlung
Gliederungspunkte Einführung
Zusammensetzung der kosmischen Strahlung
Energiespektrum
Ursprung
Beschleunigung
Propagation
Direkter Nachweis
Indirekter Nachweis
Zusammenfassung
3Kosmische Strahlung
• 1912 Viktor Hess: Ballonexperimente bis zu 5000m Höhe Intensität nimmt mit der Höhe zu! Strahlung kommt aus Universum
1936: Nobelpreis
• 1914 W. Kohlhörster: Ballonaufstieg bis zu 9000m: Bestätigung der Ergebnisse
Die Geschichte der Kosmischen StrahlungEinführung
Kosmische Strahlung
4Kosmische Strahlung
• 1927 Clay: Intensität der kosmischen Strahlung hängt von geomagnetischer Breite ab
Hinweis auf Teilchencharakter
• 1927 D. Skobelzyn: Sekundärteilchen mit Nebelkammer photographiert
• 1938 P. Auger: Ausgedehnte Luftschauer
Einführung
5Kosmische Strahlung
Einteilung • Röntgen- und Gamma-Strahlung• Hochenergetische Neutrinos• Klassische kosmische Strahlung (p, e-, Kerne)
- Primäre Komponente: Durch Erdatmosphäre unbeeinflusst ankommende
Strahlung- Sekundäre Komponente: Wechselwirkung der primären Strahlung mit
Atmosphäre Ausgedehnte Luftschauer (u.a. Pionen, Myonen,
Neutrinos, Elektronen, Photonen)
Einführung
6Kosmische Strahlung
Zusammensetzung und Spektrum der primären kosmischen Strahlung
• Energiespektrum reicht bis zu Teilchenenergien von mindestens 1020eV
• Im Bereich von einigen MeV bis zu wenigen TeV ist Zusammensetzung direkt experimentell bestimmt:
- 98% Kerne Davon: 87% Protonen 12% α-Teilchen 1% schwerere Elemente (Z>2)- 2% Elektronen- Antiprotonen, Positronen
Zusammensetzung
7Kosmische Strahlung
Vergleich mit der chemischen Zusammensetzung des Sonnensystems
• Weitgehende Übereinstimmung mit den solaren Werten
• Einige signifikante Unterschiede:- H und He unterhäufig- Li, Be, B, und Kerne
unterhalb von Fe überhäufig
Zusammensetzung
8Kosmische Strahlung
Energiespektrum• Sehr steil, keine
Einzelheiten erkennbar
• Andere Skalierung
Energiespektrum
9Kosmische Strahlung
• Knie bei etwa 1015eV
• Knöchel bei etwa 1018eV
• Für Energien unterhalb des Knöchels wird das Spektrum gut durch ein Potenzgesetz beschrieben:
Energiespektrum
• Für Energien <1015eV: γ ~ 2,7
• Für höhere Energien bis 1018eV: γ ~ 3
dN/dE ~ E-γ
10Kosmische Strahlung
Im niederenergetischen Teil (E<1GeV): Beeinflussung durch Sonnenwinde 11jährige Modulation
Das Knie (E~1015eV):- Unterschiedlicher Teilchenursprung?- Andere Beschleunigungsmechanismen?- Teilchen verlassen Milchstraße?- Exotische Teilchenprozesse?
Energiespektrum E<1015eV / Knie
11Kosmische Strahlung
Welche Teilchen sind dafür verantwortlich?• Protonen: GZK-Cut-Off : γ + p p + π0 und γ + p n + π+
Reichweite: einige10Mpc• Kerne: GZK-Cut-Off bei höheren Energien• Photonen: Paarbildung: γ + γ e+ e- Reichweite: 10kpc
Energiespektrum Knöchel / E>1018eV
Generell stellen Ereignisse >1019eV ein Rätsel dar!
Was passiert bei E~1020eV? - Grenzenergie? - Flüsse zu gering?
Der Knöchel (E~1018eV):
Bessere Statistik nötig!
1pc= 3,26 Lj^
12Kosmische Strahlung
Elektronen• Tragen nur mit 2% zur kosmischen Strahlung bei• Comptonstreuung (invers) mit Hintergrundstrahlung
geringe Reichweite
• Entstehung:- Direkt aus Quellen kosmischer Strahlung oder - Sekundärprodukte aus Kernreaktionen im interstellaren
Medium: π+ μ+ υµ e+ υe υµ υµ π- μ- υµ e- υe υµ υµ
• Nur 10% der Elektronen aus diesem Prozess
Großteil aus gleicher Quelle wie Nukleonenkomponente
Energiespektrum
_ __
_
13Kosmische Strahlung
Der Ursprung der kosmischen Strahlung• Aufgrund der enormen Energiespanne:
Mehrere verschiedene Quellen und Beschleunigungsmechanismen!
• Informationen aus: - Elementzusammensetzung- Energiespektrum- Energiedichte
• Quellensuche: - Neutrinos - γ – Strahlung - höchstenergetische Teilchen der klassischen Strahlung
Ursprung
14Kosmische Strahlung
Teilchen der klassischen kosmischen Strahlung unterhalb von etwa 1018eV haben keine Richtungsinformation mehr
Isotropie
Ursprung
15Kosmische Strahlung
• Ursprung für Teilchen <1015eV innerhalb unserer Galaxis
• Überlegungen mittels Energiedichte
• Bestätigung der Supernovaquellen durch Elementzusammensetzung
Ursprung E<1015eV
Mögliche Quellen:
Pulsare
Supernovae
Doppelsternsysteme
Teilchen mit E<1015eV
16Kosmische Strahlung
Quellen außerhalb der Milchstraße Große Ablenkradien können nicht in Milchstraße gespeichert werdenAber: Begrenzte Reichweite wegen des GZK-Cut-Offs!
Ursprung E>1018eV
Mögliche Quellen:AGNQuasare
Teilchen mit E>1018eV
17Kosmische Strahlung
Beschleunigungsmechanismen• Zyklotron Mechanismus
- Zeitveränderliche Magnetfelder- Energien bis zu 100GeV
• Sonnenfleckenpaare• Schockwellenbeschleunigung (Fermi-Beschleunigung 1.Art)
- Teilchen gewinnen Energie durch mehrfaches Durchqueren der Schockfront einer Supernova
- Sowohl ausgestoßenes, als auch interstellares Material wird beschleunigt
- Energien bis zu 100TeV
Beschleunigung
18Kosmische Strahlung
• Fermi-Mechanismus (Fermi-Beschleunigung 2. Art)
- Wechselwirkung von kosmischen Teilchen mit Magnetwolken
- Energien bis zu 1015eV • Pulsare• Doppelsternsysteme
- Plasmabewegungen durch Akkretion- Energien bis zu 1019eV
• AGN
Beschleunigung
Hauptteil der kosmischen Strahlung durch Schockwellenbeschleunigung und Nachbeschleunigung durch Fermi-Mechanismus
Beschleunigung der höchstenergetischen Teilchen vorwiegend in Pulsaren, Doppelstern-systemen und AGN
19Kosmische Strahlung
Ausbreitung der Strahlung• Aus der Häufigkeit
langlebiger radioaktiver Isotope kann auf eine Speicherzeit von etwa 2*107 Jahre geschlossen werden
• Teilchen legen gewaltige Wegstrecken zurück
• Bewegen sich auf ungeordneten Bahnen und erfüllen die gesamte Galaxis
Propagation
20Kosmische Strahlung
Direkter Nachweis primärer Strahlung
• Primäre Komponente: Durch Erdatmosphäre unbeeinflusst ankommende Strahlung
• Kann im Energiebereich unterhalb von etwa 100TeV direkt gemessen werden
• Messung mit Ballonen oder Satelliten
• Ballone messen in Höhe von ca. 40 km
Direkter Nachweis
21Kosmische Strahlung
JACEE Japanese-American Collaborative Emulsion Experiment E=1-100TeV Z<=26
JACEE-14 im Dezember 1995 in Antarktis gestartet
Ziel: Verbesserung der Kenntnisse über die Zusammensetzung der einfallenden kosmischen Teilchen und deren Energiespektren
Direkter Nachweis
22Kosmische Strahlung
Direkter Nachweis
Detektor: Spurkammer Ladung Wechselwirkungsbereich Kalorimeter Energie
PRIMARY SECTION EMULSION, CR 39, EMULSION
TARGET SECTION 6 CYCLES 0.3mm Pb, EMULSION 0.6mm SPACER, EMULSION 0.6mm SPACER, EMULSION (ONLY 4 SHOWN FOR BREVITY
CALORIMETER SECTION 5 CYCLES 1.0mm Pb 2x XRAY EMULSION
12 CYCLES 2.5mm Pb 2x XRAY EMULSION
X-Ray Film
23Kosmische Strahlung
Indirekter Nachweis der sekundären Strahlung
• Bei höheren Energien (E>1014eV): Teilchenfluss sehr klein
indirekter Nachweis der kosmischen Strahlung durch Messung der sekundären Komponente
• Sekundärteilchen entstehen durch Wechselwirkung der primären Strahlung mit unserer Atmosphäre
Indirekter Nachweis
24Kosmische Strahlung
Indirekter Nachweis
Die sekundäre kosmische Strahlung
• In Atmosphäre: Wechselwirkungen zwischen
kosmischen und atmosphärischen Teilchen
• Bei hohen Energien (>10GeV): Inelastische Hadron-Hadron Wechselwirkung
Pionen und Kaonen Verhältnis etwa 90% : 10%
• Diese sorgen neben dem primären Teilchen für weitere hadronische Wechselwirkungen Hadronischer Schauer
25Kosmische Strahlung
Indirekter Nachweis
• Teilchen können zerfallen:
π0 2 γ , π+ μ+ + υμ , π- μ- + υμ
• Analoge Zerfälle für K-Mesonen
• Myon-Zerfall: μ+ e+ + υe + υμ , μ- e- + υe + υμ
• Hochenergetischen Photonen erzeugen durch Paarbildung e+e- -Paare und diese durch Bremsstrahlung
wieder Photonen Elektromagnetischer Schauer
Kompletter Schauer:
Elektromagnetische, hadronische, myonische und Neutrino-Komponente
_
__
26Kosmische Strahlung
Indirekter Nachweis
Schematische Darstellung eines Schauers
Teilchenhäufigkeiten in Abhängigkeit von der Schauertiefe
27Kosmische Strahlung
Nachweis der sekundären Komponente• Großflächige
Detektoren am Boden
• Cherenkov-Teleskope
• Nachweis der Fluoreszenz-strahlung
• Nachweis von Myonen in abgeschirmten Labors und Neutri- nos in Neutrino-teleskopen
Indirekter Nachweis
28Kosmische Strahlung
KASCADE Karlsruher Shower Core and Array Detektor • Messung von Energien im Bereich des Knies (E~1015eV)• Ziel: - Bestimmung des Energiespektrums und der Elementzusammensetzung der kosmischen Strahlung - Untersuchung hadronischer Wechselwirkungen
Indirekter Nachweis
29Kosmische Strahlung
Indirekter Nachweis
252 Detektorstationen: Szintillationsdetektoren
Im Zentrum der Anlage: Zentraldetektor Messung des Ortes, der Einfallsrichtung und der Energie von Hadronen Hauptkomponente ist ein Hadronenkalorimeter
30Kosmische Strahlung
Indirekter Nachweis
• Verschiedene Modellvorstellungen-Astrophysikalische Modelle (Kernladungszahl Z)
•Änderung des Beschleunigungsmechanismus•Transporteffekte: Teilchen verlassen Galaxie
-„Exotische“ Modelle (Massenzahl A)•Wechselwirkung mit Neutrinos•Andere Schauerentwicklung•Entstehung neuer Arten von Teilchen
• Simulieren und Messen der Position des Knies in Einzelspektren
Ergebnisse: Wodurch entsteht das Knie?
31Kosmische Strahlung
Indirekter Nachweis
1) Aus direkten Messungen erhaltene Energiespektren werden unter Berücksichtigung des angenommenen Modells extrapoliert
2) Vergleich mit den Ergebnissen indirekter Messungen
Modell der Z-Abhängigkeit stimmt am besten mit dem Experiment überein!
Z abhängig A abhängig konstant
32Kosmische Strahlung
P. Auger Observatory
Weltgrößtes Experiment zum Nachweis der (höchstenergetischen) kosmischen Strahlung!
Indirekter Nachweis
Besteht aus zwei Teilen:1) Auf einer Fläche von 3000 km² bilden 1600 Teilchen-detektoren eine regelmäßige Anordnung Registrierung von Cherenkovstrahlung mit Photomultipliern
33Kosmische Strahlung
Indirekter Nachweis
2) 30 Teleskope messen Fluoreszenzstrahlung:System aus Spiegeln und Photomultipliern
Die Kombination beider Detektorsysteme erlaubt Bestimmung von Einfallsrichtung, Energie und Typ des primären Teilchens
34Kosmische Strahlung
Zusammenfassung
Die kosmische Strahlung gibt nach
wie vor viele Rätsel auf, vor allem im
Bereich der höchstenergetischen
Strahlung!
Zusammenfassung
35Kosmische Strahlung
Literatur• Bücher
- Claus Grupen: Astroteilchenphysik- Hans Klapdor-Kleingrothaus: Teilchenastrophysik- A. Unsöld: Der neue Kosmos
• Internet:- www.astroteilchenphysik.de- www.auger.de- www.auger.- www.nasa.gov- marge.phys.washington.edu/jacee/
• Artikel:- J. R. Hörandel: Inconsistencies in EAS simulations - longitudinal vs.
lateral development (Nuclear Physics B, 122, 2003, pp.376-379)- J. R. Hörandel: On the knee in the energy spectrum of cosmic rays
(Astroparticle Physics 19, 2003, pp. 193-220)
Literaturverzeichnis