Das Spektrum der kosmischen Strahlung

1. Das Spektrum der kosmischen Strahlung Scheinseminar zur Astro- und Teilchenphysik WS 2003/2004 Andreas Röthlein 26.01.2004

2. Einleitung und Grundlagen Direkte Messungen Indirekte Messungen (ausgedehnte Luft-schauer) Aktuelle Ergebnisse zur hochenergetischen kosmischen Strahlung Gliederung

3. 1.Einleitung Überblick: z.b.

4. 1.Einleitung Einordnung der kosmischen Strahlung in die Astroteilchenphysik:

5. 1.Einleitung Historisches Viktor Franz Hess (*1883,+1964), österr. Physiker • 1911-1912 Ballonexperimente mit Ionisations- kammern bis in 5km Höhe: • Anstieg der Ionisation • Kein Tag-Nacht-Unterschied Nobelpreis 1936: für die Entdeckung der kosmischen Strahlung

6. 1.Einleitung 1914 W. Kohlhörster: Ballonaufstieg bis in 9km Höhe 1938 Pierre Auger et al.: Koinzidenzmessungen mit weit auseinander liegenden Teilchendetektoren 1960er kosmische Strahlen mit Energien > eV werden detektiert 1966 K. Greisen, G. Zatsepin u. V. Kuzmin: GZK- Cut Off; Schwellwertenergie für energiereiche Protonen bzgl. Pro- duktion von Pionen an Photonen der kosmischen Hinter- grundstrahlung

7. 1.Einleitung Komposition der klassischen kosmischen Strahlung (geladene Komponente): • Primäre kosmische Strahlung:(Elementzusammensetzung im Energiebereich von einigen MeV bis zu einigen TeV direkt experimentell bestimmt) • 98% Hadronen: Kerne Z >2 Teilchen • 87% Protonen • 12% Helium • 1% Kernemit Z 3 • 2% Elektronen • (Antiprotonen, Positronen) Protonen • Sekundäre kosmische Strahlung: Hadronische und elektromagnetische Kaskaden: ausgedehnte Schauer von überlebenden Hadronen, Pionen, Kaonen, Elektronen, Photonen, Myonen, Neutrinos

8. 1.Einleitung Die Elementzusammensetzung Elementhäufigkeitsverteilung der primären kosmischen Strahlung Si (Z=14) viele Gemeinsamkeiten mit jener im Sonnensystem

9. 1.Einleitung Praktische Anwendung: Radiokarbon-Methode (W. Libby 1947) zur Altersdatierung von ar- chäologischen und geologischen Proben Einfang langsamer Neutronen (Erzeugung durch kosmische Strahlung in der oberen Erdatmosphäre) in den Proben Altersbestimmung aus dem Anteil von Erlangen:KORA (Kosmogene Radionuklide)-Team AMS (Accelerator Mass Spectrometry)-Anlage

10. 1.Einleitung Das Energiespektrum der primären kosmischen Strahlung: Über einen weiten Energiebereich folgt das Spektrum einem Potenzgesetz: Spektralindex 2.5-2.7 : Spektralindex Beachte: doppeltlogarithmische Auftragung! ist Steigung im Spektrum Spektralindex 3.0 Isotrope Nukleonen-Strahlung an der Obergrenze der Atmosphäre: Spektralindex 2.8 a = 18500 Nukleonen/(m² s sr GeV) und = 2.7

11. 1.Einleitung Energieskala: Proton-Ruhemasse: 1GeV Elektron-Ruhemasse: 0.5MeV Teilchenenergien in der kosmischen Strahlung: Relativistische Kinematik

12. 1.Einleitung Flüsse und Experimentiermöglichkeiten:

13. 1.Einleitung Überblick über die wichtigsten Wechselwirkungsmechanismen von Strahlung mit Materie und die Hauptdetektortypen:

14. 2.Direkte Messungen: Ballon- und Satelliten- Experimente Experimentelle Konzepte und Ziele A) Multi-Detektor- Setups: (Messdetektorsysteme aus dem Bereich der Kern- u. Elementarteilchenphysik) • Magnetspektrometer • Kalorimeter • Szintillationszähler • Übergangsstrahlungsdetektoren • Cherenkov- Zähler, RICH • Flugzeitmessung • Antikoinzidenzsysteme • Photomultiplier • etc.

15. 2. Direkte Messungen Experimentelle Konzepte und Ziele B) Ziele: Rückschlüsse auf:

16. 2. Direkte Messungen Überblick über aktuelle Ballon-Experimente Tabelle: Stand 2001

17. 2. Direkte Messungen Ballon- Experimente • Gespanne aus: • Ballon • Fallschirm • Nutzlast • Daten: • Volumina bis zu einer Million m³ • Nutzlasten bis zu 3 Tonnen • Flughöhen bis zu 40 km • Massenbelegung der verbleibenden Restatmo- sphäre 3-5 g/cm² (80 g/cm² mittlere freie Weglänge von Protonen in Luft; Massenbelegung Atmosphäre auf Meereshöhe ~ 1000 g/cm² äquivalent zu 1 m Blei) • Flugzeiten typischerweise 24 h; (Sommer in der Antarktis: Polumrundungen in ~ 10 Tagen)

18. 2. Direkte Messungen Beispiele: JACEE (Japanese American Cooperative Emulsion Experiment) ZIELE:

19. 2. Direkte Messungen ISOMAX (Isotop Magnet Experiment) ZIELE:

20. 2. Direkte Messungen Satelliten-Experimente Beispiele: AMS 01 Testflug 1998 Space- Shuttle Kernstück: Magnetspektrometer mit supraleitendem Magneten und Siliziumstreifenzähler ZIELE: AMS 02 ab 2004 ISS: 3- 5 Jahre Messzeit

21. 2. Direkte Messungen Ergebnisse: Die Elementzusammensetzung • Elementhäufigkeitsverteilungen des Sonnensystems und der kosmischen Strah- lung zeigen gerade- ungerade Effekt: Elemente mit geradem Z (Schalenmodell: stärker gebunden) sind häufiger • doppelt magische Kerne (be- • sonders stark gebunden, z.B.: He und O) treten häufiger auf • Protonen weniger häufig: • schwere Ionisierbarkeit von H (Galactic Cosmic Rays) • Li, Be, B und Sc- Mn häufiger • in CR: sehr selten bei Nukleo- • synthese in Sternen; Spallation • von C, N und O bzw. Fe wäh- • rend des Transports

22. 2. Direkte Messungen Die Elementzusammensetzung Neuere Forschungsergebnisse bei kleineren Energien (~100 MeV): kosmische Strahlung scheint nicht aus „frisch“ synthetisierten Elementen zu bestehen, die direkt aus den Supernova- Explosionen stammen, sondern sie ist vielmehr eine

23. 2. Direkte Messungen Propagation der kosmischen Strahlung Entwicklung einer Teilchendichte N(E,x,t) hinreichend beschreibbar durch eine Transportgleichung (Diffusionsgleichung für relativistische Teilchen).

24. 2. Direkte Messungen Isotropiemessungen Zyklotronradius eines relativistischen Teilchens (E=pc) mit Ladung e in einem Magnetfeld B: Galaktisches Magnetfeld: z.B. für ein Proton im Sonnensystem: (interplanetares Magnetfeld ) d.h. Teilchen dieser und größerer Energien behalten Richtungsinformation innerhalb des Sonnensystems. Kantenlänge: ~ 300 pc Beobachtete Anisotropien < 0.5% : Kosmische Strahlung nicht aus dem Sonnensystem!

25. 2. Direkte Messungen Spallationsprozesse (während des Transports durch interstellare Materie) Isotopenhäufigkeiten: Kosmische Uhren Radioaktive Isotope Isotopenhäufigkeit eines Elements in Quelle bekannt u. Vergleich mit jener in kosmischer Strahlung Aufenthaltszeiten der Teilchen in der Milchstrasse Teilchen im GeV- Bereich durchqueren im interstellaren Raum im Mittel5- 10 g/cm² (Durchquerung der Milchstrasse: 0.16 g/cm²) heutige Modellvorstellungen: Aufenthaltszeiten in Milchstrasse ~ 10-100 Millionen Jahre

26. 2. Direkte Messungen Niederenergetischer Teil der ankommenden kosm-ischen Strahlung wird durch Magnetfelder der Sonne moduliert: lokaler Fluß ist antikorreliert mit 11- jährigem Sonnen-fleckenzyklus

27. 3. Indirekte Messungen EAS (extensive/extended air showers) Potenzgesetz: Oberhalb von nur noch indirekte Messung möglich! Indirekt: Nachweis über den durch das Primärteilchen in der Atmosphäre initiierten ausgedehnten Luftschauer.

28. 3. Indirekte Messungen Luftschauer:(schematisch) Kaskadenprozess • Inelastizität • Multiplizität • Transversalimpuls

29. 3. Indirekte Messungen

30. 3. Indirekte Messungen Kaskadenentwicklungen in der Atmosphäre: Unterschiede der Schauerentwicklung in der Atmosphäre weisen auf Energie und Masse des Primärteilchens hin Laterale Schauerbreite in km

31. 3. Indirekte Messungen Nachweis- und Messmethoden: • Elektronenkomponente • Hadronenkomponente • Myonenkomponente • Cherenkov-Licht • Fluoreszenz-Licht • Luftschauer- u. Detektorsimulationen • Rekonstruktion von Observablen • Analyse der Daten Richtung, Energie und Masse der Primärteilchen

32. 3. Indirekte Messungen Nachweismethoden:

33. 3. Indirekte Messungen KASCADE / - Grande (Karlsruhe Shower Core and Array Detector) Beispiele: ZIELE:

34. 3. Indirekte Messungen Detektion höchstenergetischer kosmischer Strahlung:

35. 3. Indirekte Messungen

36. 3. Indirekte Messungen • Süd- Experiment: • bis 2004 1600 Sampling-Cherenkov- • Detektoren (11.3m² Grundfläche) auf • 3000 km² zum Nachweis der Elektronen • und Myonen im Schauer Hybridmessung

37. 3. Indirekte Messungen 30 Fluoreszenzlicht- Teleskope (12 m² Spiegelfläche, 30°*30° Gesichtsfeld) zum Nachweis des Stickstoff- Fluoreszenzlichtes und zur longitudinalen Rekonstruktion des Luftschauers

38. 3. Indirekte Messungen Zukünftige Projekte EUSO (Extreme Universe Space Observatory):Europäisches Projekt auf ISS OWL (Orbiting Wide-Angle Light Collector)/ Air-Watch:Nasa

39. 4. Aktuelle Ergebnisse zu hochenergetischen kosmischen Strahlung [(U)HECR: (Ultra)-High Energy Cosmic Rays]

40. 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Das Knie Was ist die Ursache des Knies? • Verschiedene Theorien: • Effekt des Transports: Entschwinden aus Galaxie • (wichtige Größe bei diesen Modellen: Ladungszahl Z) • Änderung der Quelle: Erreichen der maximalen Beschleunigung • (wichtige Größe bei diesen Modellen: Ladungszahl Z) • Unbekannter Effekt in Wechselwirkungen der Schauerentwicklung • (wichtige Größe bei diesen Modellen: Massenzahl A) • Exotische teilchenphysikalische Prozesse • (wichtige Größe bei diesen Modellen: Massenzahl A)

41. 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Experimenteller Zugang: • Energiespektrum [getrennt nach Massen (-Gruppen)] der kosmischen • Strahlung • Elementzusammensetzung im Bereich des Knies • Untersuchung der Isotropie der kosmischen Strahlung • Suche nach primären Photonen (direkter Hinweis auf Quelle) • Untersuchung der hadronischen Wechselwirkung

42. 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Was ist die Ursache des Knies? • Effekt des Transports: Entschwinden aus Galaxie Rigidität gibt an, wie stark ein Teilchen mit La- dung Z und relativistischem Impuls von einem Magnetfeld gestört wird. • Annahmen: • galaktisches Magnetfeld: • ab Gyroradius von 5pc beginnen Teilchen • aus Milchstrasse zu entweichen Speicherbarer Impuls:

43. 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Was ist die Ursache des Knies? Änderung der Quelle: Erreichen der maximalen Beschleunigung Mit ist etwa Energiemaximum erreicht, das durch Supernova- Explosionen (Fermi-Beschleunigung 1. Ordnung in Schockwellen) geliefert werden kann. Bei noch höheren Energien muss ein anderer Beschleunigungsmechanismus herangezogen werden, der zu einem steileren Energiespektrum führt.

44. 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Was ist die Ursache des Knies? Unbekannter Effekt in Wechselwirkungen der Schauerentwicklung; Exotische teilchenphysikalische Prozesse • Erzeugung eines neuen schweren Teilchens in der Atmosphäre, das nicht • im Luftschauer gesehen wird/ plötzliche Änderung der Beschaffenheit der • hadronischen Wechselwirkung • bei höheren Energien • aufgrund der Wechselwirkung der • kosmischen Teilchen mit kosmischen • Neutrinos durch inversen Beta- Zerfall: • aufgrund Transformation von Energie • in Gravitationsenergie Erzeugung von Gravitonen...

45. 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR „Poly gonato“- Modell kann Entscheidungshilfe liefern • griech.: „viele Knie“ • Phänomenologisches Modell: • Gesamtspektrum als Summe der Elementspektren (Z =1- 92) • Elementspektrum nach phänomenologischem Ansatz: • 3 drei Ideen für Cut- Off- Energie: • proportional zu Z, rigiditätsabhängig, astrophysikalische Modelle • proportional zu A, massenabhängig, teilchenphysikalische Modelle • konstant

46. 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR • Direkte Messungen (Energiespektren getrennt nach Massen) • Fit an experimentelle Daten aus indirekten Messungen • (all- particle spectrum) Bestimmung der 5 Parameter

47. 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Ergebnisse: Konstant Rigiditätsabhängig: Beste Übereinstimmung mit dem Experiment! Massenabhängig Rigiditätsabhängiges Knie, d.h. Knie ist astrophysikalischer und nicht teilchenphysikalischer Ursache! (aber: Ursache durch Beschleunigung oder Transport?)

48. 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Der Knöchel • Quelle, Ursprung und Art dieser Strahlung bisher unbekannt! • Experimenteller Zugang: • Große Detektoranlagen für den Nachweis von Teilchen großer • Luftschauer • - Fluoreszenztechnik für longitudinale Rekonstruktion der Luft- • schauer • Energiespektrum der höchstenergetischen kosmischen Strahlung • Art dieser Teilchen • Richtungsinformation

49. 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR Der Greisen- Zatsepin- Kuzmin- Cut Off: Hochrelativistische Teilchen sehen Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) zu wesentlich höheren Energien verschoben. Lorentz-Transformation Ruhesystem des Protons Laborsystem Ab Schwellwertenergie kommt es zu Streuung und damit verbundenem Energieverlust der Teilchen aufgrund von Pionproduktion: Begrenzung der Reichweite höchstenergetischer Teilchen auf ca. 100 Mpc

50. 4. Aktuelle Ergebnisse zu HECR • Relativ nahe Quellen (Entfernung < 100 Mpc) verbieten sich aber auf- • grund des Hillas- Diagramms • Widersprüchliche experimentelle Daten • bei noch zu schlechter Statistik: • AGASA beobachtet übermäßig viele • höchstenergetische Ereignisse • (Verletzung des GZK- Cut Off?) • HiRes, Fly´s Eye und Yakutsk nicht AGASA- Energiespektrum (gestrichelte Linie: GZK- Cut Off) Korrektur der Energiespektren auf gleichen Fluss bei innerhalb der Energieunsicherheit von +/- 20% bei allen Experimenten möglich.