Institut für Kern- und Hadronenphysik 1
StrahlungsdetektorenStrahlungsdetektorenfürfür
astrophysikalische Messungenastrophysikalische Messungen
1. Einleitung2. Erdgebundene oder weltraumgestützte Beobachtungen?3. Nachweis elektromagnetischer Strahlung4. Nachweis kosmischer Teilchen5. Zusammenfassung
Inhalt:Inhalt:
Lehrerfortbildung, Dresden2006-02-17
Paulo Crespo
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1.1. Einleitung: Einleitung: Astrophysikalische MessungenAstrophysikalische Messungen
Um Daten über die Sterne zu gewinnen und zu bestimmen!• Warum?
• Wie werden die angezeigten Daten nachgewiesen?
Aus Kerne und Sterne (Vortrag Dr. A. Wagner)
Absorptionsspektren von Sternen (zusammen mit Kenntnissen der Kern- und Atomphysik):
Angström (Å)
Mehr Infos: Ref. 1, pp. 240
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1.1. Einleitung: Einleitung: Astrophysikalische MessungenAstrophysikalische Messungen
• Warum? Um Daten über kosmische Magnetfelder zu gewinnen.Siehe Kosmische Magnetfelder
(Vortrag Dr. F. Stefani)
,e
c EecBw =
zirkular polarisiertes Infrarotlicht (2.2 µm) aus den Orion molecular clouds (OMC-1)
Mehr Infos: Ref. 5
eEcBen
Eh
=γ
wc : ZyklotronfrequenzEe : Energie des ElektronsB : Magnetfeld des kosmischen ObjektesEγ : Energie des polarisierten Photonsn : Ordnung der harmonische Frequenz
Dec: DeklinationRA : Rektaszension
Mehr Infos: Ref. 6
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1. Einleitung: 1. Einleitung: Astrophysikalische MessungenAstrophysikalische Messungen
• Was wird gemessen?
√√ Elektromagnetische (EM) Strahlung
√√ Teilchen
►► Messungen von Gravitationswellen
- Geladenen Teilchen¶
- Antiteilchen
- Neutrale Teilchen (Neutrinos)
- Fluss, Energiespektren (damit kosmische Temperaturen¶), Dopplerverschiebung,
- Zeitaufgelöste Spektroskopie (z.B. Supernovae¶), SignalperiodeΠ (z.B. Pulsare¶)
- Polarisierung des Lichts (Hinweis auf kosmische Magnetfelder Π)
χ
χ
χ werden nicht erläutert Mehr Infos: Ref. 2
¶Π
siehe Vortrag Dr. Wagner “ “ Dr. Stefani
►► Suche nach exotischen Teilchen
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2. Erdgebundene oder weltraumgestützte 2. Erdgebundene oder weltraumgestützte Beobachtungen?Beobachtungen? Elektromagnetische StrahlungElektromagnetische Strahlung
O. Jä
kel, D
KFZ
Mehr Infos: Ref. 1, pp. 240
• Absorption in der Atmosphäre der Erde
100 % Transmission
100 % Absorption
Energie →← λ
Moleküle: H2O, O2, O3, CO2, N2, N
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2. Erdgebundene oder weltraumgestützte 2. Erdgebundene oder weltraumgestützte Beobachtungen? Beobachtungen? Geladene TeilchenGeladene Teilchen
Magnetischer Südpol
Magnetischer Nordpol
( ) ,1coscos1
cos2
3
4
2++
===M
M
height
dip
RM
ZepcS
θα
θ
• Teilchenablenkung durch das Erdmagnetfeld
Mehr Infos: Ref. 1, pp. 225 Ref. 2
Volt1060 92 ×≈⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
Earth
dip
RM
S : magnetische SteifigkeitRheight : Radius in bestimmter HöheMdip : Dipolmoment der ErdeθM : Magnetische Breiteα : Auftreffwinkel zur
Erdoberfläche
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2. Erdgebundene oder weltraumgestützte 2. Erdgebundene oder weltraumgestützte Beobachtungen? Beobachtungen? Geladene TeilchenGeladene Teilchen
• Teilchenablenkung durch das Erdmagnetfeld (E > 100 MeV bei 400 km)
Mehr Info: Ref. 8
Protonenfluss±θM
±θM
±θM
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2. Erdgebundene oder weltraumgestützte 2. Erdgebundene oder weltraumgestützte Beobachtungen?Beobachtungen? Geladene TeilchenGeladene Teilchen
• Sehr hohe Energien (≥ 1 TeV): Voraussetzungen zum Nachweis
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2. Erdgebundene oder weltraumgestützte 2. Erdgebundene oder weltraumgestützte Beobachtungen?Beobachtungen? Geladene TeilchenGeladene Teilchen
• Sehr hohe Energien (≥ 1 TeV): Physikalische Prozesse in die Atmosphäre,wie bei dichten Targets
• Nachweis in der Atmosphäre:- Čerenkov-Strahlung- Extensive air-showers (Matrix aus
Detektoren)- Fluoreszenz von N2
Primär γKosmische Teilchen
Atomkern in der Atmosphäre
EM Kaskade
EM Kaskade
EM Kaskade
Nukleonen (K±, …)
Nukleonen (K±, …)
• Nachweis mit Detektoren im Weltraum (wie im Labor):- EM- oder Hadronen-Kaskaden
(Kalorimetrie)- Spektrometer (Magnetfeld +
Tracker + Flugzeitmessungen)- Čerenkov-basierte Detektoren- Übergangsstrahlung
Mehr Info: Ref. 9
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3. Nachweis elektromagnetischer Strahlung3. Nachweis elektromagnetischer StrahlungGrundlagenGrundlagen
O. Jä
kel, D
KFZ
Photon absorption in silicon oxide
Spec
ific
abso
rptio
n (c
m^2
/ g)
Silicon oxide (SiO2)
Photon energy1keV 1MeV
Spec
ific
abso
rptio
n(c
m2 /g
)
102
101
103
10 -1
10 -2
100
10 -3
1GeV
Coherent scatteringTotalPhotoelectric absorptionCompton scatteringNuclear pair production
Electron pair production
• Warum sind verschiedenen Detektoren notwendig:
Photon energy
Radiowellen sichtbares Spektrum Röntgen Gamma
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3. Nachweis elektromagnetischer Strahlung3. Nachweis elektromagnetischer StrahlungRadioastronomieRadioastronomie
O. Jä
kel, D
KFZ
Dλθ =∆
∆θ : Winkelauflösungλ : Wellenlänge des StrahlsD : Durchmesser des Parabolspiegels
• Fokussierung:
• Detektor (Empfänger):
Cassegrain Fokussierung
Empfänger
Horn
Mehr Infos: Ref. 7
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3. Nachweis elektromagnetischer Strahlung3. Nachweis elektromagnetischer StrahlungOptische AstronomieOptische Astronomie
O. Jä
kel, D
KFZ
• Lichtnachweis durch p-n Übergang im Halbleiter
Sperrschicht:Jedes e- h+ Paar wird sofort getrennt (messbares Signal)
Rekombination jedes erzeugten e- h+ Paares durch Phononen
Driftzone: Rekombination (Phononen) oder Signalerzeugung sind möglich
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3. Nachweis elektromagnetischer Strahlung3. Nachweis elektromagnetischer StrahlungOptische AstronomieOptische Astronomie
O. Jä
kel, D
KFZ
• Häufigster Detektor: der CCD (Charge-coupled Device)
Mehr Infos: Ref. 1, pp. 362 Ref. 4
• wichtiger Vorteil:- Auslesen einer Multipixelmatrix ist mit
wenigen Transfer-Gates möglich
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3. Nachweis elektromagnetischer Strahlung3. Nachweis elektromagnetischer StrahlungRöntgenastronomieRöntgenastronomie
O. Jä
kel, D
KFZ
• Chandra Röntgenteleskop
Chandra-Röntgenspiegel
Mehr Info: Ref. 13
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3. Nachweis elektromagnetischer Strahlung3. Nachweis elektromagnetischer StrahlungRöntgenastronomieRöntgenastronomie
O. Jä
kel, D
KFZ
• Chandra Röntgendetektor(HRC = High Resolution Camera)
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3. Nachweis elektromagnetischer Strahlung3. Nachweis elektromagnetischer StrahlungGammaGamma--AstronomieAstronomie
O. Jä
kel, D
KFZ
• EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope):Messung mit Richtungsinformation (Eγ > 10 MeV → EM shower)
Mehr Info: Ref. 14
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4. Nachweis kosmischer Teilchen4. Nachweis kosmischer TeilchenGrundlagenGrundlagen
O. Jä
kel, D
KFZ
Mehr Info: Ref. 10, 11
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4. Nachweis kosmischer Teilchen4. Nachweis kosmischer TeilchenWeltraumgestützte ExperimenteWeltraumgestützte Experimente
O. Jä
kel, D
KFZ
• Space-borne Spektrometer: AMS (Alpha Magnetic Spectrometer)
SRD : synchrotron radiation detectorTRD : transition radiation detectorToF : time of flight (Geschwindigkeit)RICH : ring-imaging ČerenkovEcal : EM calorimeter
Autor:R. Becker, CERN p e+
Mehr Info: Ref. 12
Aerogel radiator
p+
• Ziel: Nachweis von- Antimaterie- Dunkle Materie- Zusammensetzung der kosmischen
Strahlung
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5. Zusammenfassung5. Zusammenfassung
√√ Astrophysikalische Messungen- Kosmologische Modelle basieren auf Daten kern- und atomphysikalischer
Experimente
- Die Resultate dieser Modelle werden durch astrophysikalische Messungen überprüft
Kosmologische Modelle (Urknall und Entwicklung des
Universums, Galaxien-Bildung, Sternentwicklung,
Nukleosynthese, kosmische Magnetfelder, …)
Daten kern- und atomphysikalischer
Experimente
Resultate (Element- und Isotopenhäufigkeiten, Dopplerverschiebung,
Dauer von Supernovae Prozessen, …)
Astrophysikalische Messungen
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5. Zusammenfassung5. Zusammenfassung
√√ Astrophysikalische Detektoren
- Abdeckung eines großen Energiebereiches
- Nutzung verschiedener physikalischer Prozesse
Mehrere Arten von Detektoren sind notwendig
►► Detektorentwicklung ist notwendig um bessere Ergebnisse zu erhaltenund damit offene physikalische Fragen zu beantworten
- Ortsauflösung
- Nachweisempfindlichkeit
- Energieauflösung
z.B.:• Anisotropie des kosmischen Untergrundes:
COBE → Wilkinson Microwave Anisotropy Probe• Entfernte Supernovae: sehr hohe Rotverschiebung
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Danksagung und LiteraturDanksagung und Literatur• Danksagung
Martin Erhard1, Prof. Eckart Grosse1,2, Dr. Frank Stefani1, Dr. Andreas Wagner1
1 2Forschungszentrum Rossendorf, Technische Universität Dresden
• LiteraturRef 1: M. V. Zombeck, Handbook of Space Astronomy and Astrophysics, 2nd Ed., Cambridge University Press, Cambridge, 1990Ref 2: H.V. Klapdor-Kleingrothaus, K. Zuber, Particle Astrophysics, Rev. Ed., IOP, Bristol, 2000Ref 3: http://physics.nist.gov/cgi-bin/Xcom/xcom2Ref 4: http://zebu.uoregon.edu/ccd.htmlRef 5: Bailey et al., Science 281 (1998) 672; Rubenstein et al., Science 283 (1999) 1415Ref 6: I. Ridpath, Oxford Dictionary of Astronomy, Oxford University Press, Oxford, 1997Ref 7: http://web.haystack.mit.edu/urei/tut3.htmlRef 8: The AMS collaboration, Phys. Lett. B 472 (2000) 215Ref: 9: R. Bock and A. Vasilescu, The Particle Detector BriefBook, Springer-Verlag, Berlin, 1998
http://www.cern.ch/Physics/ParticleDetector/BriefBook/Ref. 10: K. Hagira et al., Review of Particle Physics, Phys. Rev. D, 66 (2002) 010001+
http://pdg.lbl.govRef. 11: Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Rev. Ed., Springer-Verlag, Berlin, 1994Ref. 12: http://ams.cern.chRef. 13: http://chandra.harvard.edu/Ref. 14: http://www.mpe.mpg.de/gamma/EGRET/
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