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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
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
- 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)
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
- 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
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
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
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
- 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
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
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
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
- 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
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
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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Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
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
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
- 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!
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
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
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
Knie
1.Knie bei 4,5 PeV Knöchel bei 4 EeV 2.Knie bei 400 PeV≈92 * 4,5 PeV
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
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?
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
Poly-Gonato-Model
Einzelfluss der Elemente extrapolieren und addieren
führt zu:
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
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
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie
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
Überblick Zusammensetzung Nachweis Ursprung Beschleunigung Knie