Kosmische Strahlung auf der Erde

1. Kosmische Strahlung auf der Erde Spektrum Zusammensetzung Messmethoden (direkt und indirekt) Magnetfelder

2. Beobachtungen in der Astroteilchenphysik • Diffuser Hintergrund und Vordergrund (Rauschen) • Instrumentenrauschen • Atmosphäre • Planetensystem (Sonne) • Vordergrundobjekte (Sterne) • Galaktische Hintergrundstrahlung (Milchstrasse) • Extragalaktische Hintergrundstrahlung • Punktquellen • Viele* Ereignisse von einer Position am Himmel • Ausgedehnte Quellen • Viele* Ereignisse einer „physikalisch“ zusammenhängenden Region am Himmel *Viele = ein statistisch relevanter Überschuss im Vergleich zum Hintergrund

3. Physikalische Beobachtungsgrößen • Ereignis (event) • Teilchensorte (Detektorabhängig) • Position am Himmel • Energie • Differentieller Fluss: • Gesamtfluss: • Bild (Gesamtfluss pro Ort) • Ausgedehnte Quelle • Punktquelle • Lichtkurve (Gesamtfluss pro Zeitintervall) • Variabilität (Zeitskala?) • Diff. Spektrum (Fluss pro Energie …) • Potenzgesetz (nicht-thermische Quelle) • Schwarzkörperspektrum (thermische Quelle)

4. Photonen (>100MeV)Bild, Lichtkurven, Spektren Ausgedehnte Quellen und Punktquellen Beobachteter Gesamtfluss

5. Bild, Lichtkurven, Spektren Für die Hintergrundstrahlung ist keine Variabilität bekannt. Blazar PKS1622-297

6. Bild, Lichtkurven, Spektren Diffuse Hintergrundstrahlung Diskrete Quellen

7. (2) Neutrinos (>100 TeV)Bild, Lichtkurven, Spektren Diskrete Quellen • Sonne • Supernova 1987A AMANDA II: All sky map (nur Atmosphärische Ereignisse)

8. Bild, Lichtkurve, Spektren Neutrinohintergrund Lichtkurve SN1987A

9. (3) Geladene Kosmische StrahlungBild, Lichtkurven, Spektren Keine diskrete Quellen bekannt AUGER: (high energy) All-sky map

10. Bild, Lichtkurven, Spektren Keine diskrete Quellen bekannt

11. Bild, Lichtkurven, Spektrum Variabilität für E<1 GeV 11 Jahre : Sonnenfleckenzyklus 27 Tage : Sonnenrotation …

12. Teilchen der geladenen Komponente • Protonen (85%) • Heliume (12%) • Schwere Kerne (1%) • Elektronen • Wenig Antiteilchen (Positronen, Antiprotonen) wahrscheinlich nicht primär beschleunigt

13. Elemente-Häufigkeit • Vergleich mit solarer Verteilung • Solare Verteilung entspricht auch in anderen Sternen der Population II • Schlussfolgerung: Teilchen stammen aus Supernovaexplosionen

14. Direkte Messmethoden • Stratosphärische Ballons • CREAM (cosmic-ray energetics and mass) 40 km Höhe, Antarktis • PEBS (Positron Elektron Ballon Spektrometer) Entwicklungsphase PEBS

15. AMS Antimaterie, Dunkle Materie Satelliten Pamela, Dunkle Materie

16. Detektoren für ionisierende Strahlung • Elektrometer • Fadenelektrometer • Blasenkammer • Emulsionsdetektoren • Halbleiterdetektoren • Szintilationsdetekoren • Cherenkovlichtdetektor

17. Detektortypen: Photoemulsion • Röntgen: X-rays, Becquerel: Radioaktive Strahlung • Sensitiv bezüglich Elektronen aus Ionisierungsverlusten von geladenen Teilchen • Hohe Konzentration Silberbromid (AgBr) in Gelantine • Geladene Teilchen erzeugen Elektronen entlang ihrer Flugbahn durch das Gel • Es entsteht Silber entlang des Weges • Der Rest wird durchsichtig

18. Detektortypen: Halbleiter • Geladene Teilchen erzeugen Elektron-Loch Paare • Sensitiver als Gasdetektoren: • Silikon (3.5 eV) Germanium (2.94 eV) • Gas ~30 eV für Ionisierung

19. Detektortypen: Szintilationsdetektor • KS erzeugte Elektron • Elektron erzeugt Photonen in einem Kristall • Photonen erzeugen Photoelektronen in Photokathode • Photomultiplier vervielfältigt Elektron • Nachteil: • Szintilationsmaterial konvertiert nur 3% der Elektronenergie • Kathodeneffizienz ist ca. 10-20% (von 5-10 Photonen an der Photokathode wird nur Elektron frei)

20. Messung durch Ionisation • Photonen (Lambert-Beer-Bouguer-Gesetz) • m ist Absorptionkoeffizient • n Anzahldichte • s Querschnitt der absorbierenden Teilchen • Niederenergetische Teilchen ~eV • Hochenergetische Teilchen nach Bethe-Bloch Formel

21. Bethe-Bloch-Formel • D = 0.307 MeV cm2/g • z, b: Ladungszahl und Geschwindigkeit des Teilchens • Z, A, r : Kernladungszahl, Massenzahl und Dichte des Mediums • I ~ 16 Z0.9 eV: effektives Ionisationspotential der Atome des Mediums • DEmax : maximaler Energieübertrag auf ein Hüllenelektron, der sich beim zentralen Stoß ergibt • d, C sind Dichtekorrekturen bei großen Energien und Schalenkorrekturen bei kleinen Energien

22. Mittlerer Energieverlust

23. Energieverluste Elektronen

24. Beispiel: OGO-1 (1964)

25. Detektor

26. Isotope

27. Geladene Komponente (>100 TeV)

28. Das Knie • Beschleunigungsmechanismen in den Quellen der kosmischen Strahlung • Beitrag unterschiedlicher Elemente

29. Geladene Komponente (>1019 eV)

30. GZK-Cut-off Photon n Photon P • Wechselwirkung von hochenergetischen Protonen mit Photonen • Optische Tiefe: dt = n(e) s(e,E,..) dl • Kenneth Greisen, Georgi Zatsepin und Vadem Kuzmin (“GZK cut-off”) P P Photon P+ P0 m n n n Photon e-

31. GZK-Cut-off

32. GZK-Cut-off • Hochenergetische Ereignisse stammen von Quellen < 50Mpc • Galaktische Quellen ? • „Top-Down“ Szenarios • Auger bestätigt Ereignisse >50 EeV • Korrelation mit Supergalaktischen Ebene

33. Anisotropie bei den höchsten Energien • Galaktisches Magnetfeld hat fast keinen Einfluss mehr • Gyroradius • G=103 (1TeV): rg=3x1012m = 20AU • Korrelationsstudie möglich • Tabelle AUGER Ereignisse • 27 (total),20 (AGB corr) ,5.0 (erwarte bei Isotropie)

34. Indirekte Beobachtung

35. Vortragsthemen • Neutrinosuche mit Radiobeobachtungen • Im Eis (Rice) • Im Mond (Lunaska, Glue, etc) • Lofar • Auf der Suche nach Dunkler Materie • AMS • Pamela • Photon-Oszillation • Paraphotonen • Axionen • Kosmische Strahlung bei den höchsten Energien • AUGER und AGN